在Java中,我们看到很多地方可以使用final关键字,但它的使用并不常见。

例如:

String str = "abc";
System.out.println(str);

在上面的例子中,str可以是final,但通常不使用。

当一个方法永远不会被覆盖时,我们可以使用final关键字。类似地,类不会被继承。

在任何或所有这些情况下使用final关键字真的能提高性能吗?如果是,那该怎么做?请解释一下。如果final的正确使用确实关系到性能,那么Java程序员应该养成什么样的习惯才能最好地利用这个关键字呢?


当前回答

简单的回答:不用担心!

长一点的回答:

在讨论final局部变量时,请记住使用关键字final将帮助编译器静态优化代码,这可能最终导致更快的代码。例如,下面示例中的最终字符串a + b是静态连接的(在编译时)。

public class FinalTest {

    public static final int N_ITERATIONS = 1000000;

    public static String testFinal() {
        final String a = "a";
        final String b = "b";
        return a + b;
    }

    public static String testNonFinal() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        return a + b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        long tStart, tElapsed;

        tStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < N_ITERATIONS; i++)
            testFinal();
        tElapsed = System.currentTimeMillis() - tStart;
        System.out.println("Method with finals took " + tElapsed + " ms");

        tStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < N_ITERATIONS; i++)
            testNonFinal();
        tElapsed = System.currentTimeMillis() - tStart;
        System.out.println("Method without finals took " + tElapsed + " ms");

    }

}

结果呢?

Method with finals took 5 ms
Method without finals took 273 ms

在Java Hotspot VM 1.7.0_45-b18上测试。

那么实际性能提高了多少呢?我不敢说。在大多数情况下可能是微不足道的(在这个合成测试中大约为270纳秒,因为完全避免了字符串连接——这种情况很少见),但在高度优化的实用程序代码中,它可能是一个因素。在任何情况下,对最初问题的答案都是肯定的,它可能会提高性能,但充其量只能提高一点点。

除了编译时的好处,我找不到任何证据表明使用关键字final对性能有任何可衡量的影响。

其他回答

是的,它可以。下面是一个final可以提高性能的例子:

条件编译是一种不根据特定条件将代码行编译到类文件中的技术。这可以用来删除产品构建中的大量调试代码。

考虑以下几点:

public class ConditionalCompile {

  private final static boolean doSomething= false;

    if (doSomething) {
       // do first part. 
    }

    if (doSomething) {
     // do second part. 
    }

    if (doSomething) {     
      // do third part. 
    }

    if (doSomething) {
    // do finalization part. 
    }
}

通过将doSomething属性转换为final属性,您已经告诉编译器,无论何时看到doSomething,它都应该按照编译时替换规则将其替换为false。编译器的第一次传递将代码更改为如下内容:

public class ConditionalCompile {

  private final static boolean doSomething= false;

    if (false){
       // do first part. 
    }

    if (false){
     // do second part. 
    }
 
    if (false){
      // do third part. 
    }
   
    if (false){
    // do finalization part. 

    }
}

完成此操作后,编译器会再次查看它,并看到代码中有不可访问的语句。由于您使用的是高质量的编译器,它不喜欢所有那些不可访问的字节代码。所以它会移除它们,你最终会得到这个:

public class ConditionalCompile {


  private final static boolean doSomething= false;

  public static void someMethodBetter( ) {

    // do first part. 

    // do second part. 

    // do third part. 

    // do finalization part. 

  }
}

从而减少任何过多的代码,或任何不必要的条件检查。

编辑: 以下面的代码为例:

public class Test {
    public static final void main(String[] args) {
        boolean x = false;
        if (x) {
            System.out.println("x");
        }
        final boolean y = false;
        if (y) {
            System.out.println("y");
        }
        if (false) {
            System.out.println("z");
        }
    }
}

当用Java 8编译这段代码并用javap -c Test.class反编译时,我们得到:

public class Test {
  public Test();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #8                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public static final void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: iconst_0
       1: istore_1
       2: iload_1
       3: ifeq          14
       6: getstatic     #16                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       9: ldc           #22                 // String x
      11: invokevirtual #24                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      14: iconst_0
      15: istore_2
      16: return
}

我们可以注意到,编译后的代码只包含非最终变量x。 这证明了最终变量对性能有影响,至少在这个简单的情况下是这样。

简单的回答:不用担心!

长一点的回答:

在讨论final局部变量时,请记住使用关键字final将帮助编译器静态优化代码,这可能最终导致更快的代码。例如,下面示例中的最终字符串a + b是静态连接的(在编译时)。

public class FinalTest {

    public static final int N_ITERATIONS = 1000000;

    public static String testFinal() {
        final String a = "a";
        final String b = "b";
        return a + b;
    }

    public static String testNonFinal() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        return a + b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        long tStart, tElapsed;

        tStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < N_ITERATIONS; i++)
            testFinal();
        tElapsed = System.currentTimeMillis() - tStart;
        System.out.println("Method with finals took " + tElapsed + " ms");

        tStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < N_ITERATIONS; i++)
            testNonFinal();
        tElapsed = System.currentTimeMillis() - tStart;
        System.out.println("Method without finals took " + tElapsed + " ms");

    }

}

结果呢?

Method with finals took 5 ms
Method without finals took 273 ms

在Java Hotspot VM 1.7.0_45-b18上测试。

那么实际性能提高了多少呢?我不敢说。在大多数情况下可能是微不足道的(在这个合成测试中大约为270纳秒,因为完全避免了字符串连接——这种情况很少见),但在高度优化的实用程序代码中,它可能是一个因素。在任何情况下,对最初问题的答案都是肯定的,它可能会提高性能,但充其量只能提高一点点。

除了编译时的好处,我找不到任何证据表明使用关键字final对性能有任何可衡量的影响。

在Java中,我们使用final关键字使东西不可变,至少有3种方式可以使不可变对代码性能产生真正的影响。这三点有一个共同的起源,使编译器或开发人员做更好的假设:

更可靠的代码 更高效的代码 更高效的内存分配和垃圾收集

更可靠的代码

正如许多其他回复和评论所述,使类不可变会产生更清晰、更可维护的代码,使对象不可变会使它们更容易处理,因为它们可以完全处于一种状态,因此这转化为更容易的并发性和完成任务所需时间的优化。

此外,编译器会警告你使用未初始化的变量,不让你用新值重新赋值。

如果我们谈论方法参数,将它们声明为final,如果你不小心对变量使用了相同的名称,或者重新赋值(使参数不再可访问),编译器会抱怨。

更高效的代码

对生成的字节码进行简单的分析,就可以解决性能问题:使用@rustyx在他的回复中发布的代码的最小修改版本,您可以看到,当编译器知道对象不会改变其值时,生成的字节码是不同的。

这就是代码:

public class FinalTest {

    private static final int N_ITERATIONS = 1000000;

    private static String testFinal() {
        final String a = "a";
        final String b = "b";
        return a + b;
    }

    private static String testNonFinal() {
        String a = "a";
        String b = "b";
        return a + b;
    }
    
    private static String testSomeFinal() {
        final String a = "a";
        String b = "b";
        return a + b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        measure("testFinal", FinalTest::testFinal);
        measure("testSomeFinal", FinalTest::testSomeFinal);
        measure("testNonFinal", FinalTest::testNonFinal);
    }
    
    private static void measure(String testName, Runnable singleTest){
        final long tStart = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < N_ITERATIONS; i++)
            singleTest.run();
        final long tElapsed = System.currentTimeMillis() - tStart;
        
        System.out.printf("Method %s took %d ms%n", testName, tElapsed);
    }
    
}

使用openjdk17: javac FinalTest.java编译

然后反编译:javap -c -p FinalTest.class

导致这个字节码:

  private static java.lang.String testFinal();
    Code:
       0: ldc           #7                  // String ab
       2: areturn

  private static java.lang.String testNonFinal();
    Code:
       0: ldc           #9                  // String a
       2: astore_0
       3: ldc           #11                 // String b
       5: astore_1
       6: aload_0
       7: aload_1
       8: invokedynamic #13,  0             // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
      13: areturn

  private static java.lang.String testSomeFinal();
    Code:
       0: ldc           #11                 // String b
       2: astore_0
       3: aload_0
       4: invokedynamic #17,  0             // InvokeDynamic #1:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
       9: areturn

// omitted bytecode for the measure() method, which is not interesting

正如您所看到的,在某些情况下,最后的关键字会产生影响。

为了完整起见,这些是测量的时间:

方法testFinal耗时5毫秒 方法testSomeFinal耗时13毫秒 方法testNonFinal耗时20毫秒

这些时间似乎无关紧要(假设我们完成了100万个任务),但我认为,经过一段时间后,JIT优化正在发挥它的魔力,并消除了差异,但即使这样说,4x也不是可以忽略不计的,因为当涉及到testNonFinal循环时,JVM已经被前面的测试热身了,公共代码还应该优化。

容易内联

更少的字节码也可以转化为更简单、更短的内联,从而更好地利用资源和提高性能。

嵌入式设备

Java开发人员可以编写在服务器、桌面和小型或嵌入式设备上运行的代码,因此在编译时提高代码的效率(并且不完全依赖JVM优化)可以节省所有运行时的内存、时间和精力,并减少并发问题和错误。

更高效的内存分配和垃圾收集

如果对象具有final或immutable字段,那么它们的状态不能改变,并且它们所需要的内存在创建时更容易估计(因此这会导致更少的重定位),并且需要更少的防御性副本:在getter中,我可以直接共享一个不可变对象,而无需创建防御性副本。

最后,还有另一个关于未来可能性的观点:当Valhalla项目看到太阳,“值类”将可用时,将不可变性应用于对象的字段,对于那些想要使用它们的人来说将是一个显著的简化,并利用可能出现的大量jit编译器优化。

一个关于不变性的个人说明

如果变量、对象的属性和方法的参数在Java中默认是不可变的(就像在Rust中一样),开发人员将被迫编写更清晰、性能更好的代码,并且显式地声明所有可以改变其值的对象是可变的,这将使开发人员更加意识到可能出现的错误。

我不知道final类是否也一样,因为可变类听起来对我来说没有什么意义

Final(至少对于成员变量和参数)更适合人类,而不是机器。

在任何可能的情况下使变量为final是一个很好的实践。我希望Java默认设置“变量”为final,并有一个“可变”关键字来允许更改。不可变类会带来更好的线程代码,只要看一眼每个成员前面都有“final”的类,就会很快显示它是不可变的。

另一种情况——我已经转换了很多代码来使用@NonNull/@Nullable注释(你可以说一个方法参数必须不是null,然后IDE可以警告你每一个地方你传递一个没有@NonNull标记的变量——整个事情蔓延到一个荒谬的程度)。当一个成员变量或形参被标记为final时,证明它不能为空要容易得多,因为你知道它没有在其他任何地方被重新赋值。

我的建议是养成在默认情况下为成员和参数应用final的习惯,它只是几个字符,但如果没有其他的话,将推动您改进您的编码风格。

方法或类的Final是另一个概念,因为它不允许非常有效的重用形式,并且没有真正告诉读者很多东西。最好的使用可能是他们使String和其他内在类型为final的方式,这样你就可以在任何地方依赖一致的行为——这防止了很多错误(尽管有时我很喜欢扩展String ....)哦,可能性)

通常不会。对于虚方法,HotSpot会跟踪该方法是否实际被重写,并且能够在假定某个方法没有被重写的情况下执行优化,例如内联——直到它加载一个重写该方法的类,这时它可以撤销(或部分撤销)那些优化。

(当然,这是假设你正在使用HotSpot -但它是迄今为止最常见的JVM,所以…)

在我看来,使用final应该基于清晰的设计和可读性,而不是出于性能考虑。如果您出于性能原因想要更改任何内容,那么应该在修改最清晰的代码之前执行适当的度量——这样您就可以决定以较差的可读性/设计换取额外的性能是否值得。(根据我的经验,这几乎不值得;YMMV)。

EDIT: As final fields have been mentioned, it's worth bringing up that they are often a good idea anyway, in terms of clear design. They also change the guaranteed behaviour in terms of cross-thread visibility: after a constructor has completed, any final fields are guaranteed to be visible in other threads immediately. This is probably the most common use of final in my experience, although as a supporter of Josh Bloch's "design for inheritance or prohibit it" rule of thumb, I should probably use final more often for classes...