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局部变量竟然比全局变量快 5 倍？

發布時間：2025/3/11 编程问答 13 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了局部变量竟然比全局变量快 5 倍？小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

這是我的第?201?期分享

作者 | 王磊

來源 | Java中文社群（ID：javacn666）

轉載請聯系授權（微信ID：GG_Stone）

嘍，大家好，磊哥的性能優化篇又來了！

其實寫這個性能優化類的文章初衷也很簡單，第一：目前市面上沒有太好的關于性能優化的系列文章，包括一些付費的文章；第二：我需要寫一些和別人不同的知識點，比如大家都去寫 SpringBoot 了，那我就不會把重點全部放在 SpringBoot 上。而性能優化方面的文章又比較少，因此這就是我寫它的理由。

至于能不能用上？是不是剛需？我想每個人都有自己的答案。就像一個好的劍客，終其一生都會對寶劍癡迷，我相信讀到此文的你也是一樣。

回到今天的主題，這次我們來評測一下局部變量和全局變量的性能差異，首先我們先在項目中先添加 Oracle 官方提供的 JMH（Java Microbenchmark Harness，JAVA 微基準測試套件）測試框架，配置如下：

<dependency><groupId>org.openjdk.jmh</groupId><artifactId>jmh-core</artifactId><version>{version}</version> </dependency>

然后編寫測試代碼：

import?org.openjdk.jmh.annotations.*; import?org.openjdk.jmh.runner.Runner; import?org.openjdk.jmh.runner.RunnerException; import?org.openjdk.jmh.runner.options.Options; import?org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;import?java.util.concurrent.TimeUnit;@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)?//?測試完成時間 @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) @Warmup(iterations?=?2,?time?=?1,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?預熱?2?輪，每次?1s @Measurement(iterations?=?5,?time?=?3,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?測試?5?輪，每次?3s @Fork(1)?//?fork?1?個線程 @State(Scope.Thread)?//?每個測試線程一個實例 public?class?VarOptimizeTest?{char[]?myChars?=?("Oracle?Cloud?Infrastructure?Low?data?networking?fees?and?"?+"automated?migration?Oracle?Cloud?Infrastructure?platform?is?built?for?"?+"enterprises?that?are?looking?for?higher?performance?computing?with?easy?"?+"migration?of?their?on-premises?applications?to?the?Cloud.").toCharArray();public?static?void?main(String[]?args)?throws?RunnerException?{//?啟動基準測試Options?opt?=?new?OptionsBuilder().include(VarOptimizeTest.class.getSimpleName())?//?要導入的測試類.build();new?Runner(opt).run();?//?執行測試}@Benchmarkpublic?int?globalVarTest()?{int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?myChars.length;?i++)?{if?(myChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;}@Benchmarkpublic?int?localityVarTest()?{char[]?localityChars?=?myChars;int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?localityChars.length;?i++)?{if?(localityChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;} }

其中 globalVarTest?方法使用的是全局變量 myChars?進行循環遍歷的，而 localityVarTest?方法使用的是局部變量 localityChars?來進行遍歷循環的，使用 JMH 測試的結果如下：

咦，什么鬼？這兩個方法的性能不是差不多嘛！為毛，你說差 5 倍？

CPU Cache

上面的代碼之所以性能差不多其實是因為，全局變量?myChars?被 CPU 緩存了，每次我們查詢時不會直接從對象的實例域（對象的實際存儲結構）中查詢的，而是直接從 CPU 的緩存中查詢的，因此才有上面的結果。

為了還原真實的性能（局部變量和全局變量），因此我們需要使用 volatile?關鍵來修飾?myChars 全局變量，這樣 CPU 就不會緩存此變量了， volatile?原本的語義是禁用 CPU 緩存的，我們修改的代碼如下：

import?org.openjdk.jmh.annotations.*; import?org.openjdk.jmh.runner.Runner; import?org.openjdk.jmh.runner.RunnerException; import?org.openjdk.jmh.runner.options.Options; import?org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;import?java.util.concurrent.TimeUnit;@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)?//?測試完成時間 @OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS) @Warmup(iterations?=?2,?time?=?1,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?預熱?2?輪，每次?1s @Measurement(iterations?=?5,?time?=?3,?timeUnit?=?TimeUnit.SECONDS)?//?測試?5?輪，每次?3s @Fork(1)?//?fork?1?個線程 @State(Scope.Thread)?//?每個測試線程一個實例 public?class?VarOptimizeTest?{volatile?char[]?myChars?=?("Oracle?Cloud?Infrastructure?Low?data?networking?fees?and?"?+"automated?migration?Oracle?Cloud?Infrastructure?platform?is?built?for?"?+"enterprises?that?are?looking?for?higher?performance?computing?with?easy?"?+"migration?of?their?on-premises?applications?to?the?Cloud.").toCharArray();public?static?void?main(String[]?args)?throws?RunnerException?{//?啟動基準測試Options?opt?=?new?OptionsBuilder().include(VarOptimizeTest.class.getSimpleName())?//?要導入的測試類.build();new?Runner(opt).run();?//?執行測試}@Benchmarkpublic?int?globalVarTest()?{int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?myChars.length;?i++)?{if?(myChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;}@Benchmarkpublic?int?localityVarTest()?{char[]?localityChars?=?myChars;int?count?=?0;for?(int?i?=?0;?i?<?localityChars.length;?i++)?{if?(localityChars[i]?==?'c')?{count++;}}return?count;} }

最終的測試結果是：

從上面的結果可以看出，局部變量的性能比全局變量的性能快了大約?5.02 倍。

至于為什么局部變量會比全局變量快？咱們稍后再說，我們先來聊聊 CPU 緩存的事。

在計算機系統中，CPU 緩存（CPU Cache）是用于減少處理器訪問內存所需平均時間的部件。在金字塔式存儲體系中它位于自頂向下的第二層，僅次于 CPU 寄存器，如下圖所示：

CPU 緩存的容量遠小于內存，但速度卻可以接近處理器的頻率。當處理器發出內存訪問請求時，會先查看緩存內是否有請求數據。如果存在（命中），則不經訪問內存直接返回該數據；如果不存在（失效），則要先把內存中的相應數據載入緩存，再將其返回處理器。

CPU 緩存可以分為一級緩存（L1），二級緩存（L2），部分高端 CPU 還具有三級緩存（L3），這三種緩存的技術難度和制造成本是相對遞減的，所以其容量也是相對遞增的。當 CPU 要讀取一個數據時，首先從一級緩存中查找，如果沒有找到再從二級緩存中查找，如果還是沒有就從三級緩存或內存中查找。

以下是各級緩存和內存響應時間的對比圖：

（圖片來源：cenalulu）

從上圖可以看出內存的響應速度要比 CPU 緩存慢很多。

局部變量為什么快？

要理解為什么局部變量會比全局變量快這個問題，我們只需要使用 javac?把他們編譯成字節碼就可以找到原因了，編譯的字節碼如下：

javap?-c?VarOptimize 警告:?文件?./VarOptimize.class?不包含類?VarOptimize Compiled?from?"VarOptimize.java" public?class?com.example.optimize.VarOptimize?{char[]?myChars;public?com.example.optimize.VarOptimize();Code:0:?aload_01:?invokespecial?#1??????????????????//?Method?java/lang/Object."<init>":()V4:?aload_05:?ldc???????????#7??????????????????//?String?Oracle?Cloud?Infrastructure?Low?data?networking?fees?and?automated?migration?Oracle?Cloud?Infrastructure?platform?is?built?for?enterprises?that?are?looking?for?higher?performance?computing?with?easy?migration?of?their?on-premises?applications?to?the?Cloud.7:?invokevirtual?#9??????????????????//?Method?java/lang/String.toCharArray:()[C10:?putfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C13:?returnpublic?static?void?main(java.lang.String[]);Code:0:?new???????????#16?????????????????//?class?com/example/optimize/VarOptimize3:?dup4:?invokespecial?#21?????????????????//?Method?"<init>":()V7:?astore_18:?aload_19:?invokevirtual?#22?????????????????//?Method?globalVarTest:()V12:?aload_113:?invokevirtual?#25?????????????????//?Method?localityVarTest:()V16:?returnpublic?void?globalVarTest();Code:0:?iconst_01:?istore_12:?iconst_03:?istore_24:?iload_25:?aload_06:?getfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C9:?arraylength10:?if_icmpge?????3313:?aload_014:?getfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C17:?iload_218:?caload19:?bipush????????9921:?if_icmpne?????2724:?iinc??????????1,?127:?iinc??????????2,?130:?goto??????????433:?returnpublic?void?localityVarTest();Code:0:?aload_01:?getfield??????#15?????????????????//?Field?myChars:[C4:?astore_15:?iconst_06:?istore_27:?iconst_08:?istore_39:?iload_310:?aload_111:?arraylength12:?if_icmpge?????3215:?aload_116:?iload_317:?caload18:?bipush????????9920:?if_icmpne?????2623:?iinc??????????2,?126:?iinc??????????3,?129:?goto??????????932:?return }

其中關鍵的信息就在 getfield?關鍵字上，getfield?在此處的語義是從堆上獲取變量，從上述的字節碼可以看出 globalVarTest?方法在循環的內部每次都通過?getfield?關鍵字從堆上獲取變量，而 localityVarTest?方法并沒有使用?getfield 關鍵字，而是使用了出棧操作來進行業務處理，而從堆中獲取變量比出棧操作要慢很多，因此使用全局變量會比局部變量慢很多。關于堆、棧的內容關注公眾號「Java中文社群」我在后面的 JVM 優化的章節會單獨講解。

關于緩存

有人可能會說無所謂，反正使用全局變量會使用 CPU Cache，這樣性能也和局部變量差不多，那我就隨便用吧，反正也差不多。

但磊哥的建議是，能用局部變量的絕不使用全局變量，因為 CPU 緩存有以下 3 個問題：

CPU Cache 采用的是 LRU 和 Random 的清除算法，不常使用的緩存和隨機抽取一部分緩存會被刪除掉，如果正好是你用的那個全局變量呢？

CPU Cache 有緩存命中率的問題，也就是有一定的幾率會訪問不到緩存；

部分 CPU 只有兩級緩存（L1 和 L2），因此可以使用的空間是有限的。

綜上所述，我們不能把程序的執行性能完全托付給一個不那么穩定的系統硬件，所以能用局部變量堅決不要使用全局變量。

關鍵點：編寫適合你的代碼，在性能、可讀性和實用性之間，找到屬于你的平衡點！

總結

本文我們講了局部變量的和全局變量的區別，如果使用全局變量會用 getfield?關鍵字從堆中獲取變量，而局部變量則是通過出棧來獲取變量的，因為出棧操作要比堆操作快很多，因此局部變量操作也會比全局變量快很多，所以建議你使用局部變量而不是全局變量。

高手之間對決，比拼的就是細節。

最后的話原創不易，覺得有幫助，點個「在看」讓我知道，謝謝你！往期推薦

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本來想用“{{”秀一波，結果卻導致了內存溢出！

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的局部变量竟然比全局变量快 5 倍？的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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