Java字符串拼接技术演进及阿里巴巴的贡献

企业 2024-08-30 08:18 广东

0. 写在前面的省流版

下图是Java字符串拼接实现的技术演进路线，最新的实现 PR 20273是来自阿里巴巴的贡献。

1. 关于使用"+"做字符串拼接

一些古老的技术文章中会说，在Java中使用"+"做字符串拼接性能不好，但实际情况是JDK 9+之后的版本，使用"+"做字符串拼接会比StringBuilder快。

如下是一个字符串拼接的的方法，我们基于这个方法来介绍JDK8和JDK9之后版本的性能以及背后的内部细节。

class Demo {    public static String concatIndy(int i) {        return  "value " + i;    }}

2. JDK 8下的字符串拼接实现

2.1 编译并查看字节码

jdk8/bin/javac Demo.java jdk8/bin/javap -c Dem

javap输出的字节码：

class Demo {  Demo();    Code:       0: aload_0       1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V       4: return
  public static java.lang.String concatIndy(int);    Code:       0: new           #2 // class java/lang/StringBuilder       3: dup       4: invokespecial #3 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V       7: ldc           #4 // String value       9: invokevirtual #5 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;      12: iload_0      13: invokevirtual #6 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;      16: invokevirtual #7 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;      19: areturn}

2.2 反编译后的Java代码

public static String concatIndy(int i) {    return new StringBuilder("value ")            .append(i)            .toString();}

可以看出，在JDK 8中，在非循环体内使用"+"实现字符串拼接和使用StringBuilder是一样的，用"+"做拼接代码更简洁，推荐使用"+"而不是StringBuilder。

3. JDK 9之后的字符串拼接实现 (JEP 280)

如果我们使用JDK 9之后的版本，比如JDK 11，字符串拼接"+"编译后的字节码会不一样。

3.1. 使用JDK 11编译后并查看字节码

jdk11/bin/javac Demo.java jdk11/bin/javap -c Demo

class Demo {  Demo();    Code:       0: aload_0       1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V       4: return
  public static java.lang.String concatIndy(int);    Code:       0: iload_0       1: invokedynamic #2,  0 // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(I)Ljava/lang/String;       6: areturn}

可以看到，JDK 11中编译后的字节码和JDK 8是不一样的，不再是基于StringBuilder实现，而是基于StringConcatFactory.makeConcatWithConstants动态生成一个方法来实现。这个会比StringBuilder更快，不需要创建StringBuilder对象，也会减少一次数组拷贝。

这里由于是内部使用的数组，所以用了UNSAFE.allocateUninitializedArray的方式更快分配byte[]数组。通过：

StringConcatFactory.makeConcatWithConstants

而不是JavaC生成代码，是因为生成的代码无法使用JDK的内部方法进行优化，还有就是，如果有算法变化，存量的Lib不需要重新编译，升级新版本JDk就能提速。

这个字节码相当如下手工调用：

StringConcatFactory.makeConcatWithConstants

import java.lang.invoke.*;
    static final MethodHandle STR_INT;
    static {        try {            STR_INT = StringConcatFactory.makeConcatWithConstants(                    MethodHandles.lookup(),                    "concat_str_int",                    MethodType.methodType(String.class, int.class),                    "value \1"            ).dynamicInvoker();        } catch (Exception e) {            throw new Error("Bootstrap error", e);        }    }
    static String concat_str_int(int value) throws Throwable {        return (String) STR_INT.invokeExact(value);    }

StringConcatFactory.makeConcatWithConstants是公开API，可以用来动态生成字符串拼接的方法，除了编译器生成字节码调用，也可以直接调用。调用生成方法一次大约需要1微秒（千分之一毫秒）。

3.2. makeConcatWithConstants动态生成方法的代码

makeConcatWithConstants使用recipe ("value \1")动态生成的方法大致如下：

import java.lang.StringConcatHelper;import static java.lang.StringConcatHelper.mix;import static java.lang.StringConcatHelper.newArray;import static java.lang.StringConcatHelper.prepend;import static java.lang.StringConcatHelper.newString;
public static String invokeStatic(String str, int value) throws Throwable {    long lengthCoder = 0;    lengthCoder = mix(lengthCoder, str);    lengthCoder = mix(lengthCoder, value);    byte[] bytes = newArray(lengthCoder);    lengthCoder = prepend(lengthCoder, bytes, value);    lengthCoder = prepend(lengthCoder, bytes, str);    return newString(bytes, lengthCoder);}

StringConcatHelper

StringConcatHelper是：

StringConcatFactory.makeConcatWithConstants实现用到的内部类。

package java.lang;
class StringConcatHelper {     static String newString(byte[] buf, long indexCoder) {        // Use the private, non-copying constructor (unsafe!)        if (indexCoder == LATIN1) {            return new String(buf, String.LATIN1);        } else if (indexCoder == UTF16) {            return new String(buf, String.UTF16);        }    }}

public class String {    String(byte[] value, byte coder) {        // 无拷贝构造        this.value = value;        this.coder = coder;    }}

可以看出，生成的方法是通过如下步骤来实现：

StringConcatHelper的mix方法计算长度和字符编码 (将长度和coder组合放到一个long中)；
根据长度和编码构造一个byte[]；
然后把相关的值写入到byte[]中；
使用byte[]无拷贝的方式构造String对象。

上面的火焰图可以看到实现的细节。这样的实现，和使用StringBuilder相比，减少了StringBuilder以及StringBuilder内部byte[]对象的分配，可以减轻GC的负担。也能避免可能产生的StringBuilder在latin1编码到UTF16时的数组拷贝。

-StringBuilder缺省编码是LATIN1(ISO_8859_1)，如果append过程中遇到UTF16编码，会有一个将LATIN1转换为UTF16的动作，这个动作实现的方法是inflate。如果拼接的参数如果是带中文的字符串，使用StringBuilder还会多一次数组拷贝。

class AbstractStringBuilder    private void inflate() {        if (!isLatin1()) {            return;        }        byte[] buf = StringUTF16.newBytesFor(value.length);        StringLatin1.inflate(value, 0, buf, 0, count);        this.value = buf;        this.coder = UTF16;    }}

3.3 JMH比较字符串拼接和使用StringBuilder的性能

测试代码

public class ConcatBench {    public static String concatIndy(int i) {        return  "value " + i;    }    public static String concatSB(int i) {        return new StringBuilder("value ")                .append(i)                .toString();    }}

JDK 11下的测试结果

Benchmark                Mode  Cnt    Score   Error   UnitsConcatBench.concatIndy  thrpt    5  130.841 ± 1.127  ops/usConcatBench.concatSB    thrpt    5  117.897 ± 1.437  ops/us

上面的数据中，concatIndy是使用字符串拼接，concatSB是使用StringBuilder，可以看出在JDK 11下，使用"+"拼接字符串的性能比使用StringBuilder快10.97%。

4. StringConcatFactory的实现细节

以及阿里巴巴的贡献

4.1 基于MethodHandlers API的实现

StringConcatFactory.makeConcatWithConstants是MethodHandles实现的。MethodHandle可以是一个方法引用，MethodHandles可以对MethodHandle做各种转换，包括过滤参数[filterAgument]、参数折叠[foldArgument]、添加参数[insertArguments]，最终生成的MethodHandle可以被认为是一个语法树。MethodHandles API功能强大，甚至可以认为它是图灵完备的。当然也有缺点，复杂的MethodHandle TreeExpress会生成大量中的中间类，JIT的开销也较大。

StringConcatFactory.makeConcatWithConstants通过MethodHandles动态构建一个MethodHandle调用StringConcatHelper的方法，组装一个MethodHandle实现无拷贝的字符拼接实现。

package java.lang;
class StringConcatHelper {    static long initialCoder() { ... }    // T: boolean, char, int, long, String    static long mix(long lengthCoder, T value) { ... }     static byte[] newArray(long indexCoder) { ... }    static long prepend(long lengthCoder, byte[] buf, T value) { ... }     static String newString(byte[] buf, long indexCoder) { ... }}

class StringConcatFactory {  static MethodHandle generateMHInlineCopy(MethodType mt, String[] constants) {    Class<?>[] ptypes = mt.erase().parameterArray();     MethodHandle mh = MethodHandles.dropArgumentsTrusted(newString(), 2, ptypes);    ..    mh = filterInPrependers(mh, constants, ptypes);    ..    MethodHandle newArrayCombinator = newArray();    mh = MethodHandles.foldArgumentsWithCombiner(mh, 0, newArrayCombinator,            1 // index    );    ..    mh = filterAndFoldInMixers(mh, initialLengthCoder, ptypes);    if (objFilters != null) {      mh = MethodHandles.filterArguments(mh, 0, objFilters);    }    return mh;  }}

4.2 基于MethodHandle表达式的问题

这种动态生成MethodHandle表达式在参数个数较多时，会遇到问题，它会生成大量中间转换类，并且生成MethodHandle消耗比较大，极端情况下，C2优化器需要高达2G的内存来编译复杂的字符串拼接:

https://github.com/openjdk/jdk/pull/18953

因此JDK 23引入了JVM启动参数java.lang.invoke.StringConcat.highArityThreshold，缺省值为20，当超过这个阈值时，使用StringBuilder实现。

除了参数个数较多时编译消耗资源多之外，MethodHandle表达式还有启动速度比较慢的问题。

4.3 阿里巴巴贡献的改进 (PR 20273)

阿里巴巴的工程师温绍锦在2024年7月提交了一个新的方案：

https://github.com/openjdk/jdk/pull/20273

通过动态字节码生成隐藏类来代替基于MethodHandle表达式的实现。它的实现逻辑和MethodHandle表达式类似，但不需要组合coder和length，有相似的运行性能，但它能显著提升启动性能，并且对C2优化器的开销较小。

在8月5日召开的JVM Language Summit 2024，Oracle Java核心类库维护小组负责性能优化的Claes Redestad的Talk：

《Re-thinking String Concatenation》：

https://www.youtube.com/watch?v=tgX38gvMpjs&list=PLX8CzqL3ArzUEYnTa6KYORRbP3nhsK0L1&index=1

介绍了PR 20273 ，这个将会是JDK 24的缺省实现。

如下是PR 20273前后的代码实现对比：

上图右边的字节码会用下面的代码生成一个Hidden Class来实现字符串拼接。

package java.lang.invoke;
class StringConcatFactory {    static final class InlineHiddenClassStrategy {        static MethodHandle generate(Lookup lookup, MethodType args, String[] constants) {            byte[] classBytes = ClassFile.of().build(...);
            var hiddenClass = lookup.makeHiddenClassDefiner(CLASS_NAME, classBytes, Set.of(), DUMPER)                                    .defineClass(true, null);            var constructor = lookup.findConstructor(hiddenClass, CONSTRUCTOR_METHOD_TYPE);            var concat      = lookup.findVirtual(hiddenClass, METHOD_NAME, concatArgs);
            var instance = hiddenClass.cast(constructor.invoke(constants));            return concat.bindTo(instance);        }    }}

如下图，PR 20273的实现生成的中间类明显减少：

PR 20273生成的ByteCode逻辑大致如下：

java.lang.StringConcatHelper中的基类 StringConcatBase。

package java.lang;
class StringConcatHelper {    static abstract class StringConcatBase {        @Stable        final String[] constants;        final int      length;        final byte     coder;
        StringConcatBase(String[] constants) {            int  length = 0;            byte coder  = String.LATIN1;            for (String c : constants) {                length += c.length();                coder  |= c.coder();            }            this.constants = constants;            this.length    = length;            this.coder     = coder;        }    }}

生成的代码。

import static java.lang.StringConcatHelper.newArrayWithSuffix; import static java.lang.StringConcatHelper.prepend; import static java.lang.StringConcatHelper.stringCoder; import static java.lang.StringConcatHelper.stringSize;  
class StringConcat extends java.lang.StringConcatHelper.StringConcatBase {    // super class defines         // String[] constants;         // int length;         // byte coder;          StringConcat(String[] constants) {        super(constants);    }        String concat(int arg0, long arg1, boolean arg2, char arg3, String arg4,                  float arg5, double arg6, Object arg7    ) {        // Types other than byte/short/int/long/boolean/String require a local variable to store        String str4 = stringOf(arg4);        String str5 = stringOf(arg5);        String str6 = stringOf(arg6);        String str7 = stringOf(arg7);        int coder  = coder(this.coder, arg0, arg1, arg2, arg3, str4, str5, str6, str7);        int length = length(this.length, arg0, arg1, arg2, arg3, arg4, arg5, arg6, arg7);        String[] constants = this.constants;        byte[] buf = newArrayWithSuffix(constants[paramCount], length. coder);        prepend(length, coder, buf, constants, arg0, arg1, arg2, arg3, str4, str5, str6, str7);        return new String(buf, coder);    }        static int length(int length, int arg0, long arg1, boolean arg2, char arg3,                      String arg4, String arg5, String arg6, String arg7) {        return stringSize(stringSize(stringSize(stringSize(stringSize(stringSize(stringSize(stringSize(            length, arg0), arg1), arg2), arg3), arg4), arg5), arg6), arg7);    }        static int cocder(int coder, char arg3, String str4, String str5, String str6, String str7) {        return coder | stringCoder(arg3) | str4.coder() | str5.coder() | str6.coder() | str7.coder();    }        static int prepend(int length, int coder, byte[] buf, String[] constants,                       int arg0, long arg1, boolean arg2, char arg3,                       String str4, String str5, String str6, String str7) {        // StringConcatHelper. prepend        return prepend(prepend(prepend(prepend(                    prepend(apppend(prepend(prepend(length,                            buf, str7, constant[7]), buf, str6, constant[6]),                            buf, str5, constant[5]), buf, str4, constant[4]),                            buf, arg3, constant[3]), buf, arg2, constant[2]),                            buf, arg1, constant[1]), buf, arg0, constant[0]);    }}

从这个代码来看，由于采用非静态的字段来保存constants，这使得可以重用。和之前MH实现不同的是，没有将coder和length组合成一个long类型的lengthcoder，这使得C2优化器在内联是可以做优化处理。这样就兼顾了性能和可重用。

4.4 PR 20273带来的启动性能提升显著

（具体细节看 PR 20273的comments）

5. 阿里巴巴对字符串拼接的其他贡献

除了PR 20273这样大的改进之外，阿里巴巴还贡献了其他对字符串连接改进，包括：

5.1 PR 20253 Optimize StringConcatHelper.simpleConcat

PR地址：https://github.com/openjdk/jdk/pull/20253

这个PR改进了非简单类型的单参数字符串拼接性能，通过简化计算coder和length的算法提升性能大约8%。

5.2 PR 19730 Reduce object allocation for FloatToDecimal and DoubleToDecimal

PR地址：https://github.com/openjdk/jdk/pull/19730

这个PR通过消除过程中的内存分配提升float/double类型：

toString和StringBuilder.append(float/double)的性能。

测试表明性能显著提升：

-Benchmark                               Mode  Cnt    Score    Error  Units base-StringBuilders.appendWithFloat8Latin1   avgt   15  317.144 ? 11.325  ns/op-StringBuilders.appendWithFloat8Utf16    avgt   15  316.980 ? 17.955  ns/op-StringBuilders.appendWithDouble8Latin1  avgt   15  440.853 ? 13.067  ns/op-StringBuilders.appendWithDouble8Utf16   avgt   15  418.896 ?  4.610  ns/op

+Benchmark                               Mode  Cnt    Score    Error  Units (Webrevs 00 4c810154)+StringBuilders.appendWithFloat8Latin1   avgt   15  168.231 ?  4.749  ns/op +88.51%+StringBuilders.appendWithFloat8Utf16    avgt   15  213.981 ?  3.274  ns/op +48.13%+StringBuilders.appendWithDouble8Latin1  avgt   15  241.536 ?  0.993  ns/op +82.52%+StringBuilders.appendWithDouble8Utf16   avgt   15  284.863 ? 10.381  ns/op +47.05%

5.3 PR 14699 Optimization for Integer.toString

PR地址：https://github.com/openjdk/jdk/pull/14699

这个PR提升Integer/Long.toString以及StringBuilder.append(int/long)的性能，这个PR通过将两次求值和写入合并为一次提升性能，在JDK 22之后的版本被引入。

测试表明性能提升显著：

-Benchmark               (size)  Mode  Cnt   Score   Error  Units (baseline)-Integers.toStringBig       500  avgt   15  18.483 ± 2.771  us/op-Integers.toStringSmall     500  avgt   15   4.435 ± 0.067  us/op-Integers.toStringTiny      500  avgt   15   2.382 ± 0.063  us/op
+Benchmark               (size)  Mode  Cnt  Score   Error  Units (PR Update 20 c0f42a7c)+Integers.toStringBig       500  avgt   15  5.392 ? 0.016  us/op (+242.78%)+Integers.toStringSmall     500  avgt   15  3.201 ? 0.024  us/op (+38.55%)+Integers.toStringTiny      500  avgt   15  2.141 ? 0.021  us/op (+11.25%)
-Benchmark            (size)  Mode  Cnt  Score   Error  Units (baseline)-Longs.toStringBig       500  avgt   15  8.336 ± 0.025  us/op-Longs.toStringSmall     500  avgt   15  4.389 ± 0.018  us/op
+Benchmark            (size)  Mode  Cnt  Score   Error  Units (PR Update 20 c0f42a7c)+Longs.toStringBig       500  avgt   15  7.706 ? 0.015  us/op (+8.17%)+Longs.toStringSmall     500  avgt   15  3.094 ? 0.021  us/op (+41.85%)
-Benchmark                            Mode  Cnt    Score    Error  Units (baseline)-StringBuilders.toStringCharWithInt8  avgt   15  124.316 ± 61.017  ns/op
+Benchmark                            Mode  Cnt   Score    Error  Units (PR Update 20 c0f42a7c)+StringBuilders.toStringCharWithInt8  avgt   15  44.497 ? 29.741  ns/op (+179.38%)

5.4 在字符串处理非拼接相关的其他贡献

PR 14578 优化UUID.toString的性能；
PR 14751 优化String的UpperLower性能；
PR 15768 优化HexFormat.formatHex的性能；
PR 15776 优化String.format的性能；
PR 19513 优化java.text.Format的性能；

还有其他一些较小的改进，就不一一罗列了。

6. 总结

1. 在JDK 8中，使用"+"拼接字符串性能的性能是和直接使用StringBuilder是一样的。

2. 升级JDK 11后，将compiler.target修改为11，使用"+"拼接字符串性能会比StringBuilder更好，耗时和GC都会变少。

3. JDK 11 ~ JDK23版本的字符串拼接，参数个数较多时的字符串拼接，存在启动速度慢和JIT C2消耗资源多的问题。

4. 阿里巴巴提供了新的实现PR 20273，在保证运行性能的同时，解决了启动速度慢和可重用的问题，这个将会在JDK 24中引入，成为Java"+"运算符字符串拼接的缺省实现。

5. 除了PR 20273之外，阿里巴巴还做了大量的OpenJDK其他的贡献，包括对GC、JIT、Runtime、RAS，以及核心类库等的改进，例如RISC-V架构支持、VectorAPI、Primitive Types类型和各种场景字符串处理性能改进等等。

参考阅读

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