這是我的第?201?期分享

作者 | 王磊

來源 | Java中文社群（ID：javacn666）

轉載請聯系授權（微信ID：GG_Stone）

嘍，大家好，磊哥的性能優化篇又來了！

其實寫這個性能優化類的文章初衷也很簡單，第一：目前市面上沒有太好的關于性能優化的系列文章，包括一些付費的文章；第二：我需要寫一些和別人不同的知識點，比如大家都去寫 SpringBoot 了，那我就不會把重點全部放在 SpringBoot 上。而性能優化方面的文章又比較少，因此這就是我寫它的理由。

至于能不能用上？是不是剛需？我想每個人都有自己的答案。就像一個好的劍客，終其一生都會對寶劍癡迷，我相信讀到此文的你也是一樣。

回到今天的主題，這次我們來評測一下局部變量和全局變量的性能差異，首先我們先在項目中先添加 Oracle 官方提供的 JMH（Java Microbenchmark Harness，JAVA 微基準測試套件）測試框架，配置如下：

<!--?https://mvnrepository.com/artifact/org.openjdk.jmh/jmh-core?--> <dependency><groupId>org.openjdk.jmh</groupId><artifactId>jmh-core</artifactId><version>{version}</version> </dependency>

然后編寫測試代碼：

import?org.openjdk.jmh.annotations.*; import?org.openjdk.jmh.runner.Runner; import?org.openjdk.jmh.runner.RunnerException; import?org.openjdk.jmh.runner.options.Options; import?org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;import?java.util.concurrent.TimeUnit;@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)?//?測試完成時間 @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) @Warmup(iterations?=?2,?time?=?1,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?預熱?2?輪，每次?1s @Measurement(iterations?=?5,?time?=?3,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?測試?5?輪，每次?3s @Fork(1)?//?fork?1?個線程 @State(Scope.Thread)?//?每個測試線程一個實例 public?class?VarOptimizeTest?{char[]?myChars?=?("Oracle?Cloud?Infrastructure?Low?data?networking?fees?and?"?+"automated?migration?Oracle?Cloud?Infrastructure?platform?is?built?for?"?+"enterprises?that?are?looking?for?higher?performance?computing?with?easy?"?+"migration?of?their?on-premises?applications?to?the?Cloud.").toCharArray();public?static?void?main(String[]?args)?throws?RunnerException?{//?啟動基準測試Options?opt?=?new?OptionsBuilder().include(VarOptimizeTest.class.getSimpleName())?//?要導入的測試類.build();new?Runner(opt).run();?//?執行測試}@Benchmarkpublic?int?globalVarTest()?{int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?myChars.length;?i++)?{if?(myChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;}@Benchmarkpublic?int?localityVarTest()?{char[]?localityChars?=?myChars;int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?localityChars.length;?i++)?{if?(localityChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;} }

其中 globalVarTest?方法使用的是全局變量 myChars?進行循環遍歷的，而 localityVarTest?方法使用的是局部變量 localityChars?來進行遍歷循環的，使用 JMH 測試的結果如下：

咦，什么鬼？這兩個方法的性能不是差不多嘛！為毛，你說差 5 倍？

CPU Cache

上面的代碼之所以性能差不多其實是因為，全局變量?myChars?被 CPU 緩存了，每次我們查詢時不會直接從對象的實例域（對象的實際存儲結構）中查詢的，而是直接從 CPU 的緩存中查詢的，因此才有上面的結果。

為了還原真實的性能（局部變量和全局變量），因此我們需要使用 volatile?關鍵來修飾?myChars 全局變量，這樣 CPU 就不會緩存此變量了， volatile?原本的語義是禁用 CPU 緩存的，我們修改的代碼如下：

import?org.openjdk.jmh.annotations.*; import?org.openjdk.jmh.runner.Runner; import?org.openjdk.jmh.runner.RunnerException; import?org.openjdk.jmh.runner.options.Options; import?org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;import?java.util.concurrent.TimeUnit;@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)?//?測試完成時間 @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) @Warmup(iterations?=?2,?time?=?1,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?預熱?2?輪，每次?1s @Measurement(iterations?=?5,?time?=?3,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?測試?5?輪，每次?3s @Fork(1)?//?fork?1?個線程 @State(Scope.Thread)?//?每個測試線程一個實例 public?class?VarOptimizeTest?{volatile?char[]?myChars?=?("Oracle?Cloud?Infrastructure?Low?data?networking?fees?and?"?+"automated?migration?Oracle?Cloud?Infrastructure?platform?is?built?for?"?+"enterprises?that?are?looking?for?higher?performance?computing?with?easy?"?+"migration?of?their?on-premises?applications?to?the?Cloud.").toCharArray();public?static?void?main(String[]?args)?throws?RunnerException?{//?啟動基準測試Options?opt?=?new?OptionsBuilder().include(VarOptimizeTest.class.getSimpleName())?//?要導入的測試類.build();new?Runner(opt).run();?//?執行測試}@Benchmarkpublic?int?globalVarTest()?{int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?myChars.length;?i++)?{if?(myChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;}@Benchmarkpublic?int?localityVarTest()?{char[]?localityChars?=?myChars;int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?localityChars.length;?i++)?{if?(localityChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;} }

最終的測試結果是：

從上面的結果可以看出，局部變量的性能比全局變量的性能快了大約?5.02 倍。

至于為什么局部變量會比全局變量快？咱們稍后再說，我們先來聊聊 CPU 緩存的事。

在計算機系統中，CPU 緩存（CPU Cache）是用于減少處理器訪問內存所需平均時間的部件。在金字塔式存儲體系中它位于自頂向下的第二層，僅次于 CPU 寄存器，如下圖所示：

CPU 緩存的容量遠小于內存，但速度卻可以接近處理器的頻率。當處理器發出內存訪問請求時，會先查看緩存內是否有請求數據。如果存在（命中），則不經訪問內存直接返回該數據；如果不存在（失效），則要先把內存中的相應數據載入緩存，再將其返回處理器。

CPU 緩存可以分為一級緩存（L1），二級緩存（L2），部分高端 CPU 還具有三級緩存（L3），這三種緩存的技術難度和制造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的。當 CPU 要讀取一個數據時，首先從一級緩存中查找，如果沒有找到再從二級緩存中查找，如果還是沒有就從三級緩存或內存中查找。

以下是各級緩存和內存響應時間的對比圖：

（圖片來源：cenalulu）

從上圖可以看出內存的響應速度要比 CPU 緩存慢很多。

局部變量為什么快？

要理解為什么局部變量會比全局變量快這個問題，我們只需要使用 javac?把他們編譯成字節碼就可以找到原因了，編譯的字節碼如下：

javap?-c?VarOptimize 警告:?文件?./VarOptimize.class?不包含類?VarOptimize Compiled?from?"VarOptimize.java" public?class?com.example.optimize.VarOptimize?{char[]?myChars;public?com.example.optimize.VarOptimize();Code:0:?aload_01:?invokespecial?#1??????????????????//?Method?java/lang/Object."<init>":()V4:?aload_05:?ldc???????????#7??????????????????//?String?Oracle?Cloud?Infrastructure?Low?data?networking?fees?and?automated?migration?Oracle?Cloud?Infrastructure?platform?is?built?for?enterprises?that?are?looking?for?higher?performance?computing?with?easy?migration?of?their?on-premises?applications?to?the?Cloud.7:?invokevirtual?#9??????????????????//?Method?java/lang/String.toCharArray:()[C10:?putfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C13:?returnpublic?static?void?main(java.lang.String[]);Code:0:?new???????????#16?????????????????//?class?com/example/optimize/VarOptimize3:?dup4:?invokespecial?#21?????????????????//?Method?"<init>":()V7:?astore_18:?aload_19:?invokevirtual?#22?????????????????//?Method?globalVarTest:()V12:?aload_113:?invokevirtual?#25?????????????????//?Method?localityVarTest:()V16:?returnpublic?void?globalVarTest();Code:0:?iconst_01:?istore_12:?iconst_03:?istore_24:?iload_25:?aload_06:?getfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C9:?arraylength10:?if_icmpge?????3313:?aload_014:?getfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C17:?iload_218:?caload19:?bipush????????9921:?if_icmpne?????2724:?iinc??????????1,?127:?iinc??????????2,?130:?goto??????????433:?returnpublic?void?localityVarTest();Code:0:?aload_01:?getfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C4:?astore_15:?iconst_06:?istore_27:?iconst_08:?istore_39:?iload_310:?aload_111:?arraylength12:?if_icmpge?????3215:?aload_116:?iload_317:?caload18:?bipush????????9920:?if_icmpne?????2623:?iinc??????????2,?126:?iinc??????????3,?129:?goto??????????932:?return }

其中關鍵的信息就在 getfield?關鍵字上，getfield?在此處的語義是從堆上獲取變量，從上述的字節碼可以看出 globalVarTest?方法在循環的內部每次都通過?getfield?關鍵字從堆上獲取變量，而 localityVarTest?方法并沒有使用?getfield 關鍵字，而是使用了出棧操作來進行業務處理，而從堆中獲取變量比出棧操作要慢很多，因此使用全局變量會比局部變量慢很多。關于堆、棧的內容關注公眾號「Java中文社群」我在后面的 JVM 優化的章節會單獨講解。

關于緩存

有人可能會說無所謂，反正使用全局變量會使用 CPU Cache，這樣性能也和局部變量差不多，那我就隨便用吧，反正也差不多。

但磊哥的建議是，能用局部變量的絕不使用全局變量，因為 CPU 緩存有以下 3 個問題：

CPU Cache 采用的是 LRU 和 Random 的清除算法，不常使用的緩存和隨機抽取一部分緩存會被刪除掉，如果正好是你用的那個全局變量呢？

CPU Cache 有緩存命中率的問題，也就是有一定的幾率會訪問不到緩存；

部分 CPU 只有兩級緩存（L1 和 L2），因此可以使用的空間是有限的。

綜上所述，我們不能把程序的執行性能完全托付給一個不那么穩定的系統硬件，所以能用局部變量堅決不要使用全局變量。

關鍵點：編寫適合你的代碼，在性能、可讀性和實用性之間，找到屬于你的平衡點！

總結

本文我們講了局部變量的和全局變量的區別，如果使用全局變量會用 getfield?關鍵字從堆中獲取變量，而局部變量則是通過出棧來獲取變量的，因為出棧操作要比堆操作快很多，因此局部變量操作也會比全局變量快很多，所以建議你使用局部變量而不是全局變量。

高手之間對決，比拼的就是細節。

最后的話原創不易，覺得有幫助，點個「在看」讓我知道，謝謝你！ 往期推薦

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的局部变量竟然比全局变量快 5 倍？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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