String 性能大提升
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String 性能大提升
Per-Ake Minborg 于 2025 年 5 月 1 日发布
在 JDK 25 中，我们改进了 String 类的性能，使得 String::hashCode 函数大部分情况下是 constant foldable。例如，如果您在静态不可变的 Map 中使用 Strings 作为键，您可能会看到显著的性能提升。
示例
这是一个相对高级的示例，我们维护一个不可变的本地调用 Map，它的键是方法调用的名称，值是一个 MethodHandle，可以用于调用相关的系统调用：
// Setup an immutable Map of system calls
static final Map<String,MethodHandle> SYSTEM_CALLS = Map.of(
“malloc”, linker.downcallHandle(mallocSymbol,…),
“free”, linker.downcallHandle(freeSymbol…),
...
);
...
// Allocate a memory region of 16 bytes long
address = SYSTEM_CALLS.get(“malloc”).invokeExact(16L);
...
// Free the memory region
SYSTEM_CALLS.get(“free”).invokeExact(address);
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linker.downcallHandle(…) 方法接受一个 symbol 和其他参数，通过 JDK 22 中引入的 Foreign Function & Memory API 将本地调用绑定到一个 Java MethodHandle。这是一个相对缓慢的过程，涉及 spinning bytecode。然而，一旦进入 Map，仅 String 类中的新性能改进就允许对键查找和值进行 constant folding，从而将性能提高 8 倍以上：
---JDK24---
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
StringHashCodeStatic.nonZero avgt 1 54.632 ± 0.042 ns/op
---JDK25---
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
StringHashCodeStatic.nonZero avgt 1 50.571 ± 0.012 ns/op
Copy
注意：上面的基准测试没有使用 malloc() MethodHandle，而是使用了一个 int identity function。毕竟，我们不是在测试 malloc() 的性能，而是在测试实际的 String 查找和 MethodHandle 性能。
此改进将使任何具有 Strings 作为键且值（任意类型 V）通过常量 Strings 查找的不可变 Map<String,V> 受益。
它是如何工作的？
当第一次创建 String 时，它的 hashcode 是未知的。在第一次调用 String::hashCode 时，实际的 hashcode 会被计算并存储在一个私有字段 String.hash 中。这种转换可能听起来很奇怪；如果 String 是 immutable 的，它如何改变其状态？答案是从外部无法观察到这种改变；无论是否使用内部 String.hash 缓存字段，String 在功能上都会表现相同。唯一的区别是，随后的调用会更快。
现在我们知道了 String::hashCode 的工作方式，我们可以揭示所做的性能更改（由一行代码组成）：内部字段 String.hash 标有 JDK 内部的 @Stable 注解。就是这样！
@Stable 告诉虚拟机，它可以读取该字段一次，如果它不再是其默认值（零），它可以信任该字段永远不会再次更改。因此，它可以 constant-fold String::hashcode 操作，并用已知的 hash 替换该调用。事实证明，不可变 Map 中的字段和 MethodHandle 的内部结构也以相同的方式被信任。这意味着虚拟机可以 constant-fold 整个操作链：
- 计算 String “malloc” 的哈希码（始终为
-1081483544） - 探测不可变的
Map（即，计算内部数组索引，对于malloc哈希码始终相同） - 检索关联的
MethodHandle（始终位于所述计算索引上） - 解析实际的本地调用（始终是本地
malloc()调用）
实际上，这意味着可以直接调用本地 malloc() 方法调用，这解释了巨大的性能改进。换句话说，操作链被完全短路了。
有什么限制？
有一个不幸的角落案例，新的改进没有涵盖：如果 String 的哈希码恰好为零，则 constant folding 将不起作用。正如我们上面了解到的，constant folding 只能针对非默认值（即 int 字段的非零值）进行。但是，我们预计我们能够在不久的将来解决这个小障碍。您可能会认为只有大约 40 亿个不同的 Strings 中只有一个的哈希码为零，这在平均情况下可能是正确的。但是，最常见的字符串之一（空字符串“”）的哈希值为零。另一方面，没有 1 - 6 个字符（包括 1 和 6）的字符串（所有字符的范围从 （空格）到 Z）的哈希码为零。
最后说明
由于 @Stable 注解仅适用于内部 JDK 代码，因此您无法直接在 Java 应用程序中使用它。但是，我们正在开发一个新的 JEP，称为 JEP 502: Stable Values (Preview)，它将提供一些构造，允许用户代码以类似的方式间接受益于 @Stable 字段。
下一步是什么？
您可以立即下载 JDK 25，看看这种性能改进将使您当前的应用程序受益多少。
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