以下 Java 程序平均需要在 0.50 到 0.55 之间运行：
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);
}如果我更换2 * (i * i)与2 * i * i ，它需要 0.60〜0.65s 之间运行。怎么会？
我运行了每个版本的程序 15 次，在两者之间交替。结果如下：
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。如果它们同样有效，则发生这种情况的概率将小于 1/2 ^ 15 = 0.00305％。
字节码的顺序略有不同。
2 * (i * i) ：
iconst_2
iload0
iload0
imul
imul
iadd vs 2 * i * i ：
iconst_2
iload0
imul
iload0
imul
iadd乍一看，这不应该有所作为; 如果有的话，第二个版本更优，因为它使用的一个插槽更少。
所以我们需要深入挖掘下层（JIT） 1 。
请记住，JIT 倾向于非常积极地展开小循环。事实上，我们观察到2 * (i * i)情况的 16 倍展开：
030 B2: # B2 B3 <- B1 B2 Loop: B2-B2 inner main of N18 Freq: 1e+006
030 addl R11, RBP # int
033 movl RBP, R13 # spill
036 addl RBP, #14 # int
039 imull RBP, RBP # int
03c movl R9, R13 # spill
03f addl R9, #13 # int
043 imull R9, R9 # int
047 sall RBP, #1
049 sall R9, #1
04c movl R8, R13 # spill
04f addl R8, #15 # int
053 movl R10, R8 # spill
056 movdl XMM1, R8 # spill
05b imull R10, R8 # int
05f movl R8, R13 # spill
062 addl R8, #12 # int
066 imull R8, R8 # int
06a sall R10, #1
06d movl [rsp + #32], R10 # spill
072 sall R8, #1
075 movl RBX, R13 # spill
078 addl RBX, #11 # int
07b imull RBX, RBX # int
07e movl RCX, R13 # spill
081 addl RCX, #10 # int
084 imull RCX, RCX # int
087 sall RBX, #1
089 sall RCX, #1
08b movl RDX, R13 # spill
08e addl RDX, #8 # int
091 imull RDX, RDX # int
094 movl RDI, R13 # spill
097 addl RDI, #7 # int
09a imull RDI, RDI # int
09d sall RDX, #1
09f sall RDI, #1
0a1 movl RAX, R13 # spill
0a4 addl RAX, #6 # int
0a7 imull RAX, RAX # int
0aa movl RSI, R13 # spill
0ad addl RSI, #4 # int
0b0 imull RSI, RSI # int
0b3 sall RAX, #1
0b5 sall RSI, #1
0b7 movl R10, R13 # spill
0ba addl R10, #2 # int
0be imull R10, R10 # int
0c2 movl R14, R13 # spill
0c5 incl R14 # int
0c8 imull R14, R14 # int
0cc sall R10, #1
0cf sall R14, #1
0d2 addl R14, R11 # int
0d5 addl R14, R10 # int
0d8 movl R10, R13 # spill
0db addl R10, #3 # int
0df imull R10, R10 # int
0e3 movl R11, R13 # spill
0e6 addl R11, #5 # int
0ea imull R11, R11 # int
0ee sall R10, #1
0f1 addl R10, R14 # int
0f4 addl R10, RSI # int
0f7 sall R11, #1
0fa addl R11, R10 # int
0fd addl R11, RAX # int
100 addl R11, RDI # int
103 addl R11, RDX # int
106 movl R10, R13 # spill
109 addl R10, #9 # int
10d imull R10, R10 # int
111 sall R10, #1
114 addl R10, R11 # int
117 addl R10, RCX # int
11a addl R10, RBX # int
11d addl R10, R8 # int
120 addl R9, R10 # int
123 addl RBP, R9 # int
126 addl RBP, [RSP + #32 (32-bit)] # int
12a addl R13, #16 # int
12e movl R11, R13 # spill
131 imull R11, R13 # int
135 sall R11, #1
138 cmpl R13, #999999985
13f jl B2 # loop end P=1.000000 C=6554623.000000我们看到有 1 个寄存器被 “溢出” 到堆栈中。
对于2 * i * i版本：
05a B3: # B2 B4 <- B1 B2 Loop: B3-B2 inner main of N18 Freq: 1e+006
05a addl RBX, R11 # int
05d movl [rsp + #32], RBX # spill
061 movl R11, R8 # spill
064 addl R11, #15 # int
068 movl [rsp + #36], R11 # spill
06d movl R11, R8 # spill
070 addl R11, #14 # int
074 movl R10, R9 # spill
077 addl R10, #16 # int
07b movdl XMM2, R10 # spill
080 movl RCX, R9 # spill
083 addl RCX, #14 # int
086 movdl XMM1, RCX # spill
08a movl R10, R9 # spill
08d addl R10, #12 # int
091 movdl XMM4, R10 # spill
096 movl RCX, R9 # spill
099 addl RCX, #10 # int
09c movdl XMM6, RCX # spill
0a0 movl RBX, R9 # spill
0a3 addl RBX, #8 # int
0a6 movl RCX, R9 # spill
0a9 addl RCX, #6 # int
0ac movl RDX, R9 # spill
0af addl RDX, #4 # int
0b2 addl R9, #2 # int
0b6 movl R10, R14 # spill
0b9 addl R10, #22 # int
0bd movdl XMM3, R10 # spill
0c2 movl RDI, R14 # spill
0c5 addl RDI, #20 # int
0c8 movl RAX, R14 # spill
0cb addl RAX, #32 # int
0ce movl RSI, R14 # spill
0d1 addl RSI, #18 # int
0d4 movl R13, R14 # spill
0d7 addl R13, #24 # int
0db movl R10, R14 # spill
0de addl R10, #26 # int
0e2 movl [rsp + #40], R10 # spill
0e7 movl RBP, R14 # spill
0ea addl RBP, #28 # int
0ed imull RBP, R11 # int
0f1 addl R14, #30 # int
0f5 imull R14, [RSP + #36 (32-bit)] # int
0fb movl R10, R8 # spill
0fe addl R10, #11 # int
102 movdl R11, XMM3 # spill
107 imull R11, R10 # int
10b movl [rsp + #44], R11 # spill
110 movl R10, R8 # spill
113 addl R10, #10 # int
117 imull RDI, R10 # int
11b movl R11, R8 # spill
11e addl R11, #8 # int
122 movdl R10, XMM2 # spill
127 imull R10, R11 # int
12b movl [rsp + #48], R10 # spill
130 movl R10, R8 # spill
133 addl R10, #7 # int
137 movdl R11, XMM1 # spill
13c imull R11, R10 # int
140 movl [rsp + #52], R11 # spill
145 movl R11, R8 # spill
148 addl R11, #6 # int
14c movdl R10, XMM4 # spill
151 imull R10, R11 # int
155 movl [rsp + #56], R10 # spill
15a movl R10, R8 # spill
15d addl R10, #5 # int
161 movdl R11, XMM6 # spill
166 imull R11, R10 # int
16a movl [rsp + #60], R11 # spill
16f movl R11, R8 # spill
172 addl R11, #4 # int
176 imull RBX, R11 # int
17a movl R11, R8 # spill
17d addl R11, #3 # int
181 imull RCX, R11 # int
185 movl R10, R8 # spill
188 addl R10, #2 # int
18c imull RDX, R10 # int
190 movl R11, R8 # spill
193 incl R11 # int
196 imull R9, R11 # int
19a addl R9, [RSP + #32 (32-bit)] # int
19f addl R9, RDX # int
1a2 addl R9, RCX # int
1a5 addl R9, RBX # int
1a8 addl R9, [RSP + #60 (32-bit)] # int
1ad addl R9, [RSP + #56 (32-bit)] # int
1b2 addl R9, [RSP + #52 (32-bit)] # int
1b7 addl R9, [RSP + #48 (32-bit)] # int
1bc movl R10, R8 # spill
1bf addl R10, #9 # int
1c3 imull R10, RSI # int
1c7 addl R10, R9 # int
1ca addl R10, RDI # int
1cd addl R10, [RSP + #44 (32-bit)] # int
1d2 movl R11, R8 # spill
1d5 addl R11, #12 # int
1d9 imull R13, R11 # int
1dd addl R13, R10 # int
1e0 movl R10, R8 # spill
1e3 addl R10, #13 # int
1e7 imull R10, [RSP + #40 (32-bit)] # int
1ed addl R10, R13 # int
1f0 addl RBP, R10 # int
1f3 addl R14, RBP # int
1f6 movl R10, R8 # spill
1f9 addl R10, #16 # int
1fd cmpl R10, #999999985
204 jl B2 # loop end P=1.000000 C=7419903.000000在这里，我们观察到更多的 “溢出” 和更多访问堆栈[RSP + ...] ，因为需要保留更多的中间结果。
因此问题的答案很简单： 2 * (i * i)比2 * i * i快，因为 JIT 为第一种情况生成了更优的汇编代码。
但当然很明显，第一版和第二版都没有任何好处; 循环可以真正受益于矢量化，因为任何 x86-64 CPU 至少具有 SSE2 支持。
所以这是优化器的问题; 通常情况下，它会过于积极地展开并在脚下射击，一直错过各种其他机会。
实际上，现代 x86-64 CPU 将指令进一步分解为微操作（μops），并具有寄存器重命名，μop 缓存和循环缓冲等功能，循环优化比简单展开以获得最佳性能要精细得多。 根据 Agner Fog 的优化指南 ：
如果平均指令长度超过 4 个字节，则由μop 缓存引起的性能增益可能相当大。可以考虑以下优化μop 缓存使用的方法：
- 确保关键循环足够小以适应μop 缓存。
- 将最关键的循环条目和函数条目与 32 对齐。
- 避免不必要的循环展开。
- 避免使用有额外加载时间的指令
。 。 。
关于那些加载时间 - 即使最快的 L1D 命中也需要 4 个周期 ，额外的寄存器和μop，所以是的，即使是少量的内存访问也会影响紧密循环中的性能。
但回到矢量化的机会 - 看看它有多快， 我们可以用 GCC 编译一个类似的 C 应用程序 ，它直接向它进行矢量化（AVX2 显示，SSE2 类似） 2 ：
vmovdqa ymm0, YMMWORD PTR .LC0[rip]
vmovdqa ymm3, YMMWORD PTR .LC1[rip]
xor eax, eax
vpxor xmm2, xmm2, xmm2
.L2:
vpmulld ymm1, ymm0, ymm0
inc eax
vpaddd ymm0, ymm0, ymm3
vpslld ymm1, ymm1, 1
vpaddd ymm2, ymm2, ymm1
cmp eax, 125000000 ; 8 calculations per iteration
jne .L2
vmovdqa xmm0, xmm2
vextracti128 xmm2, ymm2, 1
vpaddd xmm2, xmm0, xmm2
vpsrldq xmm0, xmm2, 8
vpaddd xmm0, xmm2, xmm0
vpsrldq xmm1, xmm0, 4
vpaddd xmm0, xmm0, xmm1
vmovd eax, xmm0
vzeroupper运行时间：
1 要获取 JIT 生成的程序集输出，请获取调试 JVM并使用-XX:+PrintOptoAssembly运行
2 C 版本使用-fwrapv标志进行编译，这使得 GCC 能够将带符号的整数溢出视为二进制补码。
当乘法是2 * (i * i) ，JVM 能够将循环中的乘法分解为2 ，从而得到这个等效但更有效的代码：
int n = 0;
for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
n += i * i;
}
n *= 2;但是当乘法是(2 * i) * i ，JVM 不会优化它，因为在加法之前不再乘以常数。
以下是我认为是这种情况的几个原因：
if (n == 0) n = 1语句会导致两个版本同样有效，因为分解乘法不再保证结果将是相同的2 * (i * i)版本完全一样快以下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;
}以下是结果：
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 ByteCodes： https ： //cs.nyu.edu/courses/fall00/V22.0201-001/jvm2.html
ByteCodes 查看器： https ： //github.com/Konloch/bytecode-viewer
在我的 JDK（Win10 64 1.8.0_65-b17）上，我可以重现并解释：
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？字节代码是这样的：
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 {
}
}不同之处在于：
带括号（ 2 * (i * i) ）：
没有括号（ 2 * i * i ）：
加载所有堆栈然后再运行比在堆栈和操作之间切换更快。