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2023-04-30 07:00:07

为什么在Java中2 * (i * i)比2 * i * i快?

下面的Java程序平均需要0.50到0.55秒的时间来运行:

public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += 2 * (i * i);
    }
    System.out.println(
        (double) (System.nanoTime() - startTime) / 1000000000 + " s");
    System.out.println("n = " + n);
}

如果我将2 * (I * I)替换为2 * I * I，它将花费0.60到0.65秒的时间运行。如何来吗?

我把程序的每个版本都运行了15次，在两者之间交替运行。以下是调查结果:

 2*(i*i)  │  2*i*i
──────────┼──────────
0.5183738 │ 0.6246434
0.5298337 │ 0.6049722
0.5308647 │ 0.6603363
0.5133458 │ 0.6243328
0.5003011 │ 0.6541802
0.5366181 │ 0.6312638
0.515149  │ 0.6241105
0.5237389 │ 0.627815
0.5249942 │ 0.6114252
0.5641624 │ 0.6781033
0.538412  │ 0.6393969
0.5466744 │ 0.6608845
0.531159  │ 0.6201077
0.5048032 │ 0.6511559
0.5232789 │ 0.6544526

2 * i * i的最快运行时间比2 * (i * i)的最慢运行时间长。如果它们具有相同的效率，发生这种情况的概率将小于1/2^15 * 100% = 0.00305%。

当前回答

(编者注:正如另一个答案所示，这个答案与来自asm的证据相矛盾。这个猜测得到了一些实验的支持，但结果并不正确。)

当乘法是2 * (i * i)时，JVM能够从循环中分解出乘法2，从而得到等效但更高效的代码:

int n = 0;
for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
    n += i * i;
}
n *= 2;

但是当乘法是(2 * i) * i时，JVM不会优化它，因为乘以常数不再恰好在n +=加法之前。

以下是我认为这种情况的几个原因:

在循环开始时添加if (n == 0) n = 1语句会导致两个版本的效率一样高，因为分解乘法不再保证结果相同 优化后的版本(通过分解2的乘法)与2 * (i * i)版本一样快

下面是我用来得出这些结论的测试代码:

public static void main(String[] args) {
    long fastVersion = 0;
    long slowVersion = 0;
    long optimizedVersion = 0;
    long modifiedFastVersion = 0;
    long modifiedSlowVersion = 0;

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        fastVersion += fastVersion();
        slowVersion += slowVersion();
        optimizedVersion += optimizedVersion();
        modifiedFastVersion += modifiedFastVersion();
        modifiedSlowVersion += modifiedSlowVersion();
    }

    System.out.println("Fast version: " + (double) fastVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Slow version: " + (double) slowVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Optimized version: " + (double) optimizedVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Modified fast version: " + (double) modifiedFastVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Modified slow version: " + (double) modifiedSlowVersion / 1000000000 + " s");
}

private static long fastVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += 2 * (i * i);
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long slowVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += 2 * i * i;
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long optimizedVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += i * i;
    }
    n *= 2;
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long modifiedFastVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        if (n == 0) n = 1;
        n += 2 * (i * i);
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long modifiedSlowVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        if (n == 0) n = 1;
        n += 2 * i * i;
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

结果如下:

Fast version: 5.7274411 s
Slow version: 7.6190804 s
Optimized version: 5.1348007 s
Modified fast version: 7.1492705 s
Modified slow version: 7.2952668 s
2018-11-23 21:44:55

其他回答

(编者注:正如另一个答案所示，这个答案与来自asm的证据相矛盾。这个猜测得到了一些实验的支持，但结果并不正确。)

当乘法是2 * (i * i)时，JVM能够从循环中分解出乘法2，从而得到等效但更高效的代码:

int n = 0;
for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
    n += i * i;
}
n *= 2;

但是当乘法是(2 * i) * i时，JVM不会优化它，因为乘以常数不再恰好在n +=加法之前。

以下是我认为这种情况的几个原因:

在循环开始时添加if (n == 0) n = 1语句会导致两个版本的效率一样高，因为分解乘法不再保证结果相同 优化后的版本(通过分解2的乘法)与2 * (i * i)版本一样快

下面是我用来得出这些结论的测试代码:

public static void main(String[] args) {
    long fastVersion = 0;
    long slowVersion = 0;
    long optimizedVersion = 0;
    long modifiedFastVersion = 0;
    long modifiedSlowVersion = 0;

    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        fastVersion += fastVersion();
        slowVersion += slowVersion();
        optimizedVersion += optimizedVersion();
        modifiedFastVersion += modifiedFastVersion();
        modifiedSlowVersion += modifiedSlowVersion();
    }

    System.out.println("Fast version: " + (double) fastVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Slow version: " + (double) slowVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Optimized version: " + (double) optimizedVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Modified fast version: " + (double) modifiedFastVersion / 1000000000 + " s");
    System.out.println("Modified slow version: " + (double) modifiedSlowVersion / 1000000000 + " s");
}

private static long fastVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += 2 * (i * i);
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long slowVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += 2 * i * i;
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long optimizedVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += i * i;
    }
    n *= 2;
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long modifiedFastVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        if (n == 0) n = 1;
        n += 2 * (i * i);
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

private static long modifiedSlowVersion() {
    long startTime = System.nanoTime();
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        if (n == 0) n = 1;
        n += 2 * i * i;
    }
    return System.nanoTime() - startTime;
}

结果如下:

Fast version: 5.7274411 s
Slow version: 7.6190804 s
Optimized version: 5.1348007 s
Modified fast version: 7.1492705 s
Modified slow version: 7.2952668 s
2018-11-23 21:44:55

添加的两种方法生成的字节代码略有不同:

  17: iconst_2
  18: iload         4
  20: iload         4
  22: imul
  23: imul
  24: iadd

对于2 * (i * i) vs:

  17: iconst_2
  18: iload         4
  20: imul
  21: iload         4
  23: imul
  24: iadd

对于2 * i * i。

当像这样使用JMH基准时:

@Warmup(iterations = 5, batchSize = 1)
@Measurement(iterations = 5, batchSize = 1)
@Fork(1)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class MyBenchmark {

    @Benchmark
    public int noBrackets() {
        int n = 0;
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            n += 2 * i * i;
        }
        return n;
    }

    @Benchmark
    public int brackets() {
        int n = 0;
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            n += 2 * (i * i);
        }
        return n;
    }

}

区别很明显:

# JMH version: 1.21
# VM version: JDK 11, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 11+28
# VM options: <none>

Benchmark                      (n)  Mode  Cnt    Score    Error  Units
MyBenchmark.brackets    1000000000  avgt    5  380.889 ± 58.011  ms/op
MyBenchmark.noBrackets  1000000000  avgt    5  512.464 ± 11.098  ms/op

你观察到的是正确的，而不仅仅是你的基准测试风格的异常(例如，没有热身，参见如何用Java编写正确的微基准测试?)

再次与Graal一起运行:

# JMH version: 1.21
# VM version: JDK 11, Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM, 11+28
# VM options: -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+EnableJVMCI -XX:+UseJVMCICompiler

Benchmark                      (n)  Mode  Cnt    Score    Error  Units
MyBenchmark.brackets    1000000000  avgt    5  335.100 ± 23.085  ms/op
MyBenchmark.noBrackets  1000000000  avgt    5  331.163 ± 50.670  ms/op

您可以看到，结果更加接近，这是有道理的，因为Graal是一个整体性能更好、更现代的编译器。

因此，这实际上只是取决于JIT编译器优化特定代码段的能力，并不一定有逻辑上的原因。

2018-11-23 20:54:45

我得到了类似的结果:

2 * (i * i): 0.458765943 s, n=119860736
2 * i * i: 0.580255126 s, n=119860736

如果两个循环都在同一个程序中，或者每个循环都在单独的.java文件/.class中，在单独的运行中执行，我得到了相同的结果。

最后，这里是一个javap -c -v <.java>的反编译:

     3: ldc           #3                  // String 2 * (i * i):
     5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.print:(Ljava/lang/String;)V
     8: invokestatic  #5                  // Method java/lang/System.nanoTime:()J
     8: invokestatic  #5                  // Method java/lang/System.nanoTime:()J
    11: lstore_1
    12: iconst_0
    13: istore_3
    14: iconst_0
    15: istore        4
    17: iload         4
    19: ldc           #6                  // int 1000000000
    21: if_icmpge     40
    24: iload_3
    25: iconst_2
    26: iload         4
    28: iload         4
    30: imul
    31: imul
    32: iadd
    33: istore_3
    34: iinc          4, 1
    37: goto          17

vs.

     3: ldc           #3                  // String 2 * i * i:
     5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.print:(Ljava/lang/String;)V
     8: invokestatic  #5                  // Method java/lang/System.nanoTime:()J
    11: lstore_1
    12: iconst_0
    13: istore_3
    14: iconst_0
    15: istore        4
    17: iload         4
    19: ldc           #6                  // int 1000000000
    21: if_icmpge     40
    24: iload_3
    25: iconst_2
    26: iload         4
    28: imul
    29: iload         4
    31: imul
    32: iadd
    33: istore_3
    34: iinc          4, 1
    37: goto          17

仅供参考,

java -version
java version "1.8.0_121"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_121-b13)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.121-b13, mixed mode)
2018-11-23 21:10:06

更像是一个附录。我使用IBM最新的Java 8 JVM重现了这个实验:

java version "1.8.0_191"
Java(TM) 2 Runtime Environment, Standard Edition (IBM build 1.8.0_191-b12 26_Oct_2018_18_45 Mac OS X x64(SR5 FP25))
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)

这显示了非常相似的结果:

0.374653912 s
n = 119860736
0.447778698 s
n = 119860736

(第二个结果使用2 * I * I)。

有趣的是，当在同一台机器上运行，但使用Oracle Java时:

Java version "1.8.0_181"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_181-b13)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.181-b13, mixed mode)

结果平均来说有点慢:

0.414331815 s
n = 119860736
0.491430656 s
n = 119860736

长话短说:即使HotSpot的小版本号在这里也很重要，因为JIT实现中的细微差异可能会产生显著的影响。

2018-11-30 21:07:23

字节码:https://cs.nyu.edu/courses/fall00/V22.0201-001/jvm2.html 字节码查看器:https://github.com/Konloch/bytecode-viewer

在我的JDK (Windows 10 64位，1.8.0_65-b17)上，我可以复制并解释:

public static void main(String[] args) {
    int repeat = 10;
    long A = 0;
    long B = 0;
    for (int i = 0; i < repeat; i++) {
        A += test();
        B += testB();
    }

    System.out.println(A / repeat + " ms");
    System.out.println(B / repeat + " ms");
}


private static long test() {
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        n += multi(i);
    }
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += multi(i);
    }
    long ms = (System.currentTimeMillis() - startTime);
    System.out.println(ms + " ms A " + n);
    return ms;
}


private static long testB() {
    int n = 0;
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        n += multiB(i);
    }
    long startTime = System.currentTimeMillis();
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        n += multiB(i);
    }
    long ms = (System.currentTimeMillis() - startTime);
    System.out.println(ms + " ms B " + n);
    return ms;
}

private static int multiB(int i) {
    return 2 * (i * i);
}

private static int multi(int i) {
    return 2 * i * i;
}

输出:

...
405 ms A 785527736
327 ms B 785527736
404 ms A 785527736
329 ms B 785527736
404 ms A 785527736
328 ms B 785527736
404 ms A 785527736
328 ms B 785527736
410 ms
333 ms

所以为什么? 字节代码如下:

 private static multiB(int arg0) { // 2 * (i * i)
     <localVar:index=0, name=i , desc=I, sig=null, start=L1, end=L2>

     L1 {
         iconst_2
         iload0
         iload0
         imul
         imul
         ireturn
     }
     L2 {
     }
 }

 private static multi(int arg0) { // 2 * i * i
     <localVar:index=0, name=i , desc=I, sig=null, start=L1, end=L2>

     L1 {
         iconst_2
         iload0
         imul
         iload0
         imul
         ireturn
     }
     L2 {
     }
 }

区别在于: 括号(2 * (i * i)):

Push const堆栈 将本地文件推入堆栈 将本地文件推入堆栈 将堆栈顶部相乘 将堆栈顶部相乘

不带括号(2 * i * i):

Push const堆栈 将本地文件推入堆栈 将堆栈顶部相乘 将本地文件推入堆栈 将堆栈顶部相乘

将所有内容加载到堆栈，然后再返回，这比在添加堆栈和操作堆栈之间切换要快。

2018-11-23 21:19:06

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