简介：常见的字符串编码有LATIN1、UTF-8、UTF-16、GB18030，他们各有各的特点，且之间的转换比较复杂。本文将为大家介绍提升Java字符串编码解码性能的技巧。
作者 | 温绍锦 (高铁) 来源 | 阿里开发者公众号
1 常见字符串编码
常见的字符串编码有：
LATIN1 只能保存ASCII字符，又称ISO-8859-1。
UTF-8 变长字节编码，一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。由于中文通常需要3个字节表示，中文场景UTF-8编码通常需要更多的空间，替代的方案是GBK/GB2312/GB18030。
UTF-16 2个字节，一个字符需要使用2个byte表示，又称UCS-2 (2-byte Universal Character Set)。根据大小端的区分，UTF-16有两种形式，UTF-16BE和UTF-16LE，缺省UTF-16指UTF-16BE。Java语言中的char是UTF-16LE编码。
GB18030 变长字节编码，一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。类似UTF8，中文只需要2个字符，表示中文更省字节大小，缺点是在国际上不通用。
为了计算方便，内存中字符串通常使用等宽字符，Java语言中char和.NET中的char都是使用UTF-16。早期Windows-NT只支持UTF-16。
2 编码转换性能
UTF-16和UTF-8之间转换比较复杂，通常性能较差。
如下是一个将UTF-16转换为UTF-8编码的实现，可以看出算法比较复杂，所以性能较差，这个操作也无法使用vector API做优化。
static int encodeUTF8(char[] utf16, int off, int len, byte[] dest, int dp) { int sl = off + len, last_offset = sl - 1; while (off < sl) { char c = utf16[off++]; if (c < 0x80) { // Have at most seven bits dest[dp++] = (byte) c; } else if (c < 0x800) { // 2 dest, 11 bits dest[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6)); dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f)); } else if (c >= '\uD800' && c < '\uE000') { int uc; if (c < '\uDC00') { if (off > last_offset) { dest[dp++] = (byte) '?'; return dp; } char d = utf16[off]; if (d >= '\uDC00' && d < '\uE000') { uc = (c << 10) + d + 0xfca02400; } else { throw new RuntimeException("encodeUTF8 error", new MalformedInputException(1)); } } else { uc = c; } dest[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18))); dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f)); dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f)); dest[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f)); off++; // 2 utf16 } else { // 3 dest, 16 bits dest[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12))); dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f)); dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f)); } } return dp;}相关代码地址[1] 。
由于Java中char是UTF-16LE编码，如果需要将char[]转换为UTF-16LE编码的byte[]时，可以使用sun.misc.Unsafe#copyMemory方法快速拷贝。比如：
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}3 Java String的编码
不同版本的JDK String的实现不一样，从而导致有不同的性能表现。char是UTF-16编码，但String在JDK 9之后内部可以有LATIN1编码。
3.1. JDK 6之前的String实现
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}在Java 6之前，String.subString方法产生的String对象和原来String对象共用一个char[] value，这会导致subString方法返回的String的char[]被引用而无法被GC回收。于是使得很多库都会针对JDK 6及以下版本避免使用subString方法。
3.2. JDK 7/8的String实现
static class String { final char[] value;}JDK 7之后，字符串去掉了offset和count字段，value.length就是原来的count。这避免了subString引用大char[]的问题，优化也更容易，从而JDK7/8中的String操作性能比Java 6有较大提升。
3.3. JDK 9/10/11的实现
static class String { final byte code; final byte[] value; static final byte LATIN1 = 0; static final byte UTF16 = 1;}JDK 9之后，value类型从char[]变成byte[]，增加了一个字段code，如果字符全部是ASCII字符，使用value使用LATIN编码；如果存在任何一个非ASCII字符，则用UTF16编码。这种混合编码的方式，使得英文场景占更少的内存。缺点是导致Java 9的String API性能可能不如JDK 8，特别是传入char[]构造字符串，会被做压缩为latin编码的byte[]，有些场景会下降10%。
4 快速构造字符串的方法
为了实现字符串是不可变特性，构造字符串的时候，会有拷贝的过程，如果要提升构造字符串的开销，就要避免这样的拷贝。
比如如下是JDK8的String的一个构造函数的实现
public final class String { public String(char value[]) { this.value = Arrays.copyOf(value, value.length); }}在JDK8中，有一个构造函数是不做拷贝的，但这个方法不是public，需要用一个技巧实现MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射来调用，文章后面有介绍这个技巧的代码。
public final class String { String(char[] value, boolean share) { // assert share : "unshared not supported"; this.value = value; }}快速构造字符的方法有三种：
使用MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射
使用JavaLangAccess的相关方法
使用Unsafe直接构造
这三种方法，1和2性能差不多，3比1和2略慢，但都比直接new字符串要快得多。JDK8使用JMH测试的数据如下:
Benchmark Mode Cnt Score Error UnitsStringCreateBenchmark.invoke thrpt 5 784869.350 ± 1936.754 ops/msStringCreateBenchmark.langAccess thrpt 5 784029.186 ± 2734.300 ops/msStringCreateBenchmark.unsafe thrpt 5 761176.319 ± 11914.549 ops/msStringCreateBenchmark.newString thrpt 5 140883.533 ± 2217.773 ops/ms
在JDK 9之后，对全部是ASCII字符的场景，直接构造能达到更好的效果。
4.1 基于MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射的快速构造字符串的方法。
相关代码地址[2]。
4.1.1 JDK8快速构造字符串
public static BiFunction< char[], Boolean, String> getStringCreatorJDK8() throws Throwable { Constructor< MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, int.class); constructor.setAccessible(true); MethodHandles lookup = constructor.newInstance( String.class , -1 // Lookup.TRUSTED ); MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class); MethodHandle handle = caller.findConstructor( String.class, MethodType.methodType(void.class, char[].class, boolean.class) ); CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory( caller , "apply" , MethodType.methodType(BiFunction.class) , handle.type().generic() , handle , handle.type() ); return (BiFunction) callSite.getTarget().invokeExact();}4.1.2 JDK 11快速构造字符串的方法
public static ToIntFunction< String> getStringCode11() throws Throwable { Constructor< MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, int.class); constructor.setAccessible(true); MethodHandles.Lookup lookup = constructor.newInstance( String.class , -1 // Lookup.TRUSTED ); MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class); MethodHandle handle = caller.findVirtual( String.class, "coder", MethodType.methodType(byte.class) ); CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory( caller , "applyAsInt" , MethodType.methodType(ToIntFunction.class) , MethodType.methodType(int.class, Object.class) , handle , handle.type() ); return (ToIntFunction< String>) callSite.getTarget().invokeExact();}if (JDKUtils.JVM_VERSION == 11) { Function< byte[], String> stringCreator = JDKUtils.getStringCreatorJDK11(); byte[] bytes = new byte[]{'a', 'b', 'c'}; String apply = stringCreator.apply(bytes); assertEquals("abc", apply);}4.1.3 JDK 17快速构造字符串的方法
在JDK 17中，MethodHandles.Lookup使用Reflection.registerFieldsToFilter对lookupClass和allowedModes做了保护，网上搜索到的通过修改allowedModes的办法是不可用的。
在JDK 17中，要通过配置JVM启动参数才能使用MethodHandlers。如下：
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}04.2 基于JavaLangAccess快速构造
通过SharedSecrets提供的JavaLangAccess，也可以不拷贝构造字符串，但是这个比较麻烦，JDK 8/11/17的API都不一样，对一套代码兼容不同的JDK版本不方便，不建议使用。
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}14.3 基于Unsafe实现快速构造字符串
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}2注意：在JDK 9之后，实现是不同，比如:
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}34.4 快速构建字符串的技巧应用：
如下的方法格式化日期为字符串，性能就会非常好。
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}45 快速遍历字符串的办法
无论JDK什么版本，String.charAt都是一个较大的开销，JIT的优化效果并不好，无法消除参数index范围检测的开销，不如直接操作String里面的value数组。
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}5在JDK 9之后的版本，charAt开销更大
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}65.1 获取String.value的方法
获取String.value的方法有如下：
使用Field反射
使用Unsafe
Unsafe和Field反射在JDK 8 JMH的比较数据如下：
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}75.1.1 使用反射获取String.value
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}85.1.2 使用Unsafe获取String.value
static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) { UNSAFE.copyMemory(chars , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2 , dest , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp , len * 2 ); dp += len * 2; return dp;}96 更快的encodeUTF8方法
当能直接获取到String.value时，就可以直接对其做encodeUTF8操作，会比String.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)性能好很多。
6.1 JDK8高性能encodeUTF8的方法
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}0使用encodeUTF8方法举例
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}1这样encodeUTF8操作，不会有多余的arrayCopy操作，性能会得到提升。
6.1.1 性能测试比较
测试代码
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}2测试结果
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}3从结果来看，通过unsafe + 直接调用encodeUTF8方法， 编码的所需要开销是newStringUTF8的58%。
6.2 JDK9/11/17高性能encodeUTF8的方法
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}4使用encodeUTF8方法举例
static class String { final char[] value; final int offset; final int count;}5这样encodeUTF8操作，不会有多余的arrayCopy操作，性能会得到提升。
7 重要提醒
上面这些技巧都不是给新手使用的，使用不当会容易导致BUG，如果没彻底搞懂，请不要使用！
参考链接：
[1]fastjson2/IOUtils.java at 2.0.3 · alibaba/fastjson2 · GitHub
[2]fastjson2/JDKUtils.java at 2.0.3 · alibaba/fastjson2 · GitHub
原文链接
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原文：https://juejin.cn/post/7101178182195216397