尽可能使用堆栈变量

Peter Haggar
IBM 高级软件工程师
2000 年 2 月

编者按：这几篇文章是从《Practical Java》（由 Addison-Wesley 出版）一书节选而来的。您可以从 Borders.com 订购该书。请阅读我们对作者 Peter Haggar 的采访。

如果您频繁存取变量，就需要考虑从何处存取这些变量。变量是 static 变量，还是堆栈变量，或者是类的实例变量？变量的存储位置对存取它的代码的性能有明显的影响？例如，请考虑下面这段代码：

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

//存取堆栈变量
void stackAccess(int val)
{
int j=0;
for (int i=0; i<val; i++)
j += 1;
}

//存取类的实例变量
void instanceAccess(int val)
{
for (int i=0; i<val; i++)
instVar += 1;
} 

//存取类的 static 变量
void staticAccess(int val)
{
for (int i=0; i<val; i++)
staticVar += 1;
}
} 



这段代码中的每个方法都执行相同的循环，并反复相同的次数。唯一的不同是每个循环使一个不同类型的变量递增。方法 stackAccess 使一个局部堆栈变量递增，instanceAccess 使类的一个实例变量递增，而 staticAccess 使类的一个 static 变量递增。

instanceAccess 和 staticAccess 的执行时间基本相同。但是，stackAccess 要快两到三倍。存取堆栈变量如此快是因为，JVM 存取堆栈变量比它存取 static 变量或类的实例变量执行的操作少。请看一下为这三个方法生成的字节码：

Method void stackAccess(int)
 0 iconst_0 //将 0 压入堆栈。
 1 istore_2 //弹出 0 并将它存储在局部分变量表中索引为 2 的位置 (j)。
 2 iconst_0 //压入 0。
 3 istore_3 //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 3 的位置 (i)。
 4 goto 13//跳至位置 13。
 7 iinc 2 1 //将存储在索引 2 处的 j 加 1。
10 iinc 3 1 //将存储在索引 3 处的 i 加 1。
13 iload_3//压入索引 3 处的值 (i)。
14 iload_1//压入索引 1 处的值 (val)。
15 if_icmplt 7//弹出 i 和 val。如果 i 小于 val，则跳至位置 7。
18 return //返回调用方法。

Method void instanceAccess(int)
 0 iconst_0 //将 0 压入堆栈。
 1 istore_2 //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 2 的位置 (i)。
 2 goto 18//跳至位置 18。
 5 aload_0//压入索引 0 (this)。
 6 dup//复制堆栈顶的值并将它压入。
 7 getfield #19 <Field int instVar>
//弹出 this 对象引用并压入 instVar 的值。
10 iconst_1 //压入 1。
11 iadd //弹出栈顶的两个值，并压入它们的和。
12 putfield #19 <Field int instVar>
//弹出栈顶的两个值并将和存储在 instVar 中。
15 iinc 2 1 //将存储在索引 2 处的 i 加 1。
18 iload_2//压入索引 2 处的值 (i)。
19 iload_1//压入索引 1 处的值 (val)。
20 if_icmplt 5//弹出 i 和 val。如果 i 小于 val，则跳至位置 5。
23 return //返回调用方法。

Method void staticAccess(int)
 0 iconst_0 //将 0 压入堆栈。
 1 istore_2 //弹出 0 并将它存储在局部变量表中索引为 2 的位置 (i)。
 2 goto 16//跳至位置 16。
 5 getstatic #25 <Field int staticVar>
//将常数存储池中 staticVar 的值压入堆栈。
 8 iconst_1 //压入 1。
 9 iadd //弹出栈顶的两个值，并压入它们的和。
10 putstatic #25 <Field int staticVar>
//弹出和的值并将它存储在 staticVar 中。
13 iinc 2 1 //将存储在索引 2 处的 i 加 1。
16 iload_2//压入索引 2 处的值 (i)。
17 iload_1//压入索引 1 处的值 (val)。
18 if_icmplt 5//弹出 i 和 val。如果 i 小于 val，则跳至位置 5。
21 return //返回调用方法。


查看字节码揭示了堆栈变量效率更高的原因。JVM 是一种基于堆栈的虚拟机，因此优化了对堆栈数据的存取和处理。所有局部变量都存储在一个局部变量表中，在 Java 操作数堆栈中进行处理，并可被高效地存取。存取 static 变量和实例变量成本更高，因为 JVM 必须使用代价更高的操作码，并从常数存储池中存取它们。（常数存储池保存一个类型所使用的所有类型、字段和方法的符号引用。）

通常，在第一次从常数存储池中访问 static 变量或实例变量以后，JVM 将动态更改字节码以使用效率更高的操作码。尽管有这种优化，堆栈变量的存取仍然更快。

考虑到这些事实，就可以重新构建前面的代码，以便通过存取堆栈变量而不是实例变量或 static 变量使操作更高效。请考虑修改后的代码：

class StackVars
{
//与前面相同...
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 被修改为将它们的实例变量或 static 变量复制到局部堆栈变量中。当变量的处理完成以后，其值又被复制回实例变量或 static 变量中。这种简单的更改明显提高了 instanceAccess 和 staticAccess 的性能。这三个方法的执行时间现在基本相同，instanceAccess 和 staticAccess 的执行速度只比 stackAccess 的执行速度慢大约 4%。

这并不表示您应该避免使用 static 变量或实例变量。您应该使用对您的设计有意义的存储机制。例如，如果您在一个循环中存取 static 变量或实例变量，则您可以临时将它们存储在一个局部堆栈变量中，这样就可以明显地提高代码的性能。这将提供最高效的字节码指令序列供 JVM 执行。

作者简介
Peter Haggar 是 IBM 的高级软件工程师。他目前正在研究新兴的 Java 和因特网技术，并且是 IBM 实时 Java 参考实现的项目主持人。他有丰富的编程经验，从事过开发工具、类库和操作系统等方面的工作。在许多行业研讨会上，他也经常就 Java 和其他技术作技术性发言。他于 1987 年在纽约获得 Clarkson 大学计算机科学学士学位。可以通过 haggar@us.ibm.com 与他联系。