盡可能使用堆棧變量

Peter Haggar
IBM 高級軟件工程師
2000 年 2 月

編者按：這幾篇文章是從《Practical Java》（由 Addison-Wesley 出版）一書節選而來的。您可以從 Borders.com 訂購該書。請閱讀我們對作者 Peter Haggar 的采訪。

如果您頻繁存取變量，就需要考慮從何處存取這些變量。變量是 static 變量，還是堆棧變量，或者是類的實例變量？變量的存儲位置對存取它的代碼的性能有明顯的影響？例如，請考慮下面這段代碼：

class StackVars
{
private int instVar;
private static int staticVar;

//存取堆棧變量
void stackAccess(int val)
{
int j=0;
for (int i=0; i<val; i++)
j += 1;
}

//存取類的實例變量
void instanceAccess(int val)
{
for (int i=0; i<val; i++)
instVar += 1;
} 

//存取類的 static 變量
void staticAccess(int val)
{
for (int i=0; i<val; i++)
staticVar += 1;
}
} 



這段代碼中的每個方法都執行相同的循環，并反復相同的次數。唯一的不同是每個循環使一個不同類型的變量遞增。方法 stackAccess 使一個局部堆棧變量遞增，instanceAccess 使類的一個實例變量遞增，而 staticAccess 使類的一個 static 變量遞增。

instanceAccess 和 staticAccess 的執行時間基本相同。但是，stackAccess 要快兩到三倍。存取堆棧變量如此快是因為，JVM 存取堆棧變量比它存取 static 變量或類的實例變量執行的操作少。請看一下為這三個方法生成的字節碼：

Method void stackAccess(int)
 0 iconst_0 //將 0 壓入堆棧。
 1 istore_2 //彈出 0 并將它存儲在局部分變量表中索引為 2 的位置 (j)。
 2 iconst_0 //壓入 0。
 3 istore_3 //彈出 0 并將它存儲在局部變量表中索引為 3 的位置 (i)。
 4 goto 13//跳至位置 13。
 7 iinc 2 1 //將存儲在索引 2 處的 j 加 1。
10 iinc 3 1 //將存儲在索引 3 處的 i 加 1。
13 iload_3//壓入索引 3 處的值 (i)。
14 iload_1//壓入索引 1 處的值 (val)。
15 if_icmplt 7//彈出 i 和 val。如果 i 小于 val，則跳至位置 7。
18 return //返回調用方法。

Method void instanceAccess(int)
 0 iconst_0 //將 0 壓入堆棧。
 1 istore_2 //彈出 0 并將它存儲在局部變量表中索引為 2 的位置 (i)。
 2 goto 18//跳至位置 18。
 5 aload_0//壓入索引 0 (this)。
 6 dup//復制堆棧頂的值并將它壓入。
 7 getfield #19 <Field int instVar>
//彈出 this 對象引用并壓入 instVar 的值。
10 iconst_1 //壓入 1。
11 iadd //彈出棧頂的兩個值，并壓入它們的和。
12 putfield #19 <Field int instVar>
//彈出棧頂的兩個值并將和存儲在 instVar 中。
15 iinc 2 1 //將存儲在索引 2 處的 i 加 1。
18 iload_2//壓入索引 2 處的值 (i)。
19 iload_1//壓入索引 1 處的值 (val)。
20 if_icmplt 5//彈出 i 和 val。如果 i 小于 val，則跳至位置 5。
23 return //返回調用方法。

Method void staticAccess(int)
 0 iconst_0 //將 0 壓入堆棧。
 1 istore_2 //彈出 0 并將它存儲在局部變量表中索引為 2 的位置 (i)。
 2 goto 16//跳至位置 16。
 5 getstatic #25 <Field int staticVar>
//將常數存儲池中 staticVar 的值壓入堆棧。
 8 iconst_1 //壓入 1。
 9 iadd //彈出棧頂的兩個值，并壓入它們的和。
10 putstatic #25 <Field int staticVar>
//彈出和的值并將它存儲在 staticVar 中。
13 iinc 2 1 //將存儲在索引 2 處的 i 加 1。
16 iload_2//壓入索引 2 處的值 (i)。
17 iload_1//壓入索引 1 處的值 (val)。
18 if_icmplt 5//彈出 i 和 val。如果 i 小于 val，則跳至位置 5。
21 return //返回調用方法。


查看字節碼揭示了堆棧變量效率更高的原因。JVM 是一種基于堆棧的虛擬機，因此優化了對堆棧數據的存取和處理。所有局部變量都存儲在一個局部變量表中，在 Java 操作數堆棧中進行處理，并可被高效地存取。存取 static 變量和實例變量成本更高，因為 JVM 必須使用代價更高的操作碼，并從常數存儲池中存取它們。（常數存儲池保存一個類型所使用的所有類型、字段和方法的符號引用。）

通常，在第一次從常數存儲池中訪問 static 變量或實例變量以后，JVM 將動態更改字節碼以使用效率更高的操作碼。盡管有這種優化，堆棧變量的存取仍然更快。

考慮到這些事實，就可以重新構建前面的代碼，以便通過存取堆棧變量而不是實例變量或 static 變量使操作更高效。請考慮修改后的代碼：

class StackVars
{
//與前面相同...
void instanceAccess(int val)
{
int j = instVar;
for (int i=0; i<val; i++)
j += 1;
instVar = j;
}

void staticAccess(int val)
{
int j = staticVar;
for (int i=0; i<val; i++)
j += 1;
staticVar = j;
}
}



方法 instanceAccess 和 staticAccess 被修改為將它們的實例變量或 static 變量復制到局部堆棧變量中。當變量的處理完成以后，其值又被復制回實例變量或 static 變量中。這種簡單的更改明顯提高了 instanceAccess 和 staticAccess 的性能。這三個方法的執行時間現在基本相同，instanceAccess 和 staticAccess 的執行速度只比 stackAccess 的執行速度慢大約 4%。

這并不表示您應該避免使用 static 變量或實例變量。您應該使用對您的設計有意義的存儲機制。例如，如果您在一個循環中存取 static 變量或實例變量，則您可以臨時將它們存儲在一個局部堆棧變量中，這樣就可以明顯地提高代碼的性能。這將提供最高效的字節碼指令序列供 JVM 執行。

作者簡介
Peter Haggar 是 IBM 的高級軟件工程師。他目前正在研究新興的 Java 和因特網技術，并且是 IBM 實時 Java 參考實現的項目主持人。他有豐富的編程經驗，從事過開發工具、類庫和操作系統等方面的工作。在許多行業研討會上，他也經常就 Java 和其他技術作技術性發言。他于 1987 年在紐約獲得 Clarkson 大學計算機科學學士學位。可以通過 [email protected] 與他聯系。