Java 内幕新闻第二期深度解读

这是由 Java 官方发布，Oracle JDK 研发 Nipafx 制作的节目，包含 JDK 近期的研发进展和新特性展望和使用，这里加上个人译制的字幕搬运而来。我把 Nipafx 的扩展资料详细研读并提取精华做了个人详细解读：视频地址（熟肉）

⎯⎯⎯⎯⎯⎯ Chapters ⎯⎯⎯⎯⎯⎯

• 0:00 - Intro
• 0:33 - Vector API
• 0:56 - Vector API - SIMD and Vector Instructions
• 2:22 - Vector API - Current State
• 3:10 - Vector API - More
  
  Inside Java podcast Ep. 7
• 3:59 - Records Serialization
• 5:22 - JDK 17 - Enhanced Pseudo-Random Number Generators
• 6:06 - Outro

这一节的内容不是很多，但是都比较有意思。

Vector API

相关 JEP：

• JEP 338: Vector API (Incubator)
• JEP 414: Vector API (Second Incubator)：Java 17 中的
• JEP 417: Vector API (Third Incubator)：Java 18 中的

其中最主要的应用就是使用了 CPU 的 SIMD（单指令多数据）处理，它提供了通过程序的多通道数据流，可能有 4 条通道或 8 条通道或任意数量的单个数据元素流经的通道。并且 CPU 一次在所有通道上并行组织操作，这可以极大增加 CPU 吞吐量。通过 Vector API，Java 团队正在努力让 Java 程序员使用 Java 代码直接访问它；过去，他们必须在汇编代码级别对向量数学进行编程，或者使用 C/C++ 与 Intrinsic 一起使用，然后通过 JNI 提供给 Java。

一个主要的优化点就是循环，过去的循环（标量循环），一次在一个元素上执行，那很慢。现在，您可以使用 Vector API 将标量算法转换为速度更快的数据并行算法。一个使用 Vector 的例子：

//测试指标为吞吐量
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
//需要预热，排除 jit 即时编译以及 JVM 采集各种指标带来的影响，由于我们单次循环很多次，所以预热一次就行
@Warmup(iterations = 1)
//单线程即可
@Fork(1)
//测试次数，我们测试10次
@Measurement(iterations = 10)
//定义了一个类实例的生命周期，所有测试线程共享一个实例
@State(value = Scope.Benchmark)
public class VectorTest {
	private static final VectorSpecies<Float> SPECIES =
			FloatVector.SPECIES_256;

	final int size = 1000;
	final float[] a = new float[size];
	final float[] b = new float[size];
	final float[] c = new float[size];

	public VectorTest() {
		for (int i = 0; i < size; i++) {
			a[i] = ThreadLocalRandom.current().nextFloat(0.0001f, 100.0f);
			b[i] = ThreadLocalRandom.current().nextFloat(0.0001f, 100.0f);
		}
	}

	@Benchmark
	public void testScalar(Blackhole blackhole) throws Exception {
		for (int i = 0; i < a.length; i++) {
			c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
		}
	}

	@Benchmark
	public void testVector(Blackhole blackhole) {
		int i = 0;
		//高于数组长度的 SPECIES 一次处理数据长度的倍数
		int upperBound = SPECIES.loopBound(a.length);
		//每次循环处理 SPECIES.length() 这么多的数据
		for (; i < upperBound; i += SPECIES.length()) {
			// FloatVector va, vb, vc;
			var va = FloatVector.fromArray(SPECIES, a, i);
			var vb = FloatVector.fromArray(SPECIES, b, i);
			var vc = va.mul(va)
					.add(vb.mul(vb))
					.neg();
			vc.intoArray(c, i);
		}
		for (; i < a.length; i++) {
			c[i] = (a[i] * a[i] + b[i] * b[i]) * -1.0f;
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws RunnerException {
		Options opt = new OptionsBuilder().include(VectorTest.class.getSimpleName()).build();
		new Runner(opt).run();
	}
}

注意使用处于孵化的 Java 特性需要加上额外的启动参数将模块暴露，这里是--add-modules jdk.incubator.vector，需要在 javac 编译和 java 运行都加上这些参数，使用 IDEA 即：

测试结果：

Benchmark               Mode  Cnt         Score         Error  Units
VectorTest.testScalar  thrpt   10   7380697.998 ± 1018277.914  ops/s
VectorTest.testVector  thrpt   10  37151609.182 ± 1011336.900  ops/s

其他使用，请参考：fizzbuzz-simd-style，这是一篇比较有意思的文章（虽然这个性能优化感觉不只由于 SIMD，还有算法优化的功劳，哈哈）

关于一些更加详细的使用，以及设计思路，可以参考这个音频：https://www.youtube.com/watch?v=VYo3p4R66N8&t=427s

Records Serialization

关于 Java Record 的序列化，我也写过一篇文章进行分析，参考：Java Record 的一些思考 - 序列化相关

其中，最重要的是一些主流的序列化框架的兼容

由于 Record 限制了序列化与反序列化的唯一方式，所以其实兼容起来很简单，比起 Java Class 改个结构，加个特性导致的序列化框架更改来说还要简单。

• Jackson:

  • Issue: Support for record types in JDK 14
  • Pull Request: Support for record types in JDK 14
  • 对应版本：jackson-databind-2.12.0

• Kryo

  • Issue: Java 14 records : how to deal with them?
  • Pull Request: Add support for Records in JDK 14
  • 对应版本：kryo-5.1.0

• XStream

  • Issue: Support for record types in JDK 14
  • Pull Request: Add support for Record types in JDK 14
  • 对应版本：1.5.x，还未发布

这三个框架中实现对于 Record 的兼容思路都很类似，也比较简单，即：

1. 实现一个针对 Record 的专用的 Serializer 以及Deserializer。
2. 通过反射（Java Reflection）或者句柄（Java MethodHandle）验证当前版本的 Java 是否支持 Record，以及获取 Record 的规范构造函数（canonical constructor）以及各种 field 的 getter 进行反序列化和序列化。

JDK 17 - Enhanced Pseudo-Random Number Generators

Java 17 针对随机数生成器做了统一接口封装，并且内置了 Xoshiro 算法以及自己研发的 LXM 算法，可以参考我的这个系列文章：

• 硬核 - Java 随机数相关 API 的演进与思考（上）
• 硬核 - Java 随机数相关 API 的演进与思考（下）

这里截取一部分分析：

根据之前的分析，应该还是 SplittableRandom 在单线程环境下最快，多线程环境下使用 ThreadLocalRandom 最快。新增的随机算法实现类，Period 约大需要的计算越多， LXM 的实现需要更多计算，加入这些算法是为了适应更多的随机应用，而不是为了更快。不过为了满足大家的好奇心，还是写了如下的代码进行测试，从下面的代码也可以看出，新的 RandomGenerator API 使用更加简便：

package prng;

import java.util.random.RandomGenerator;
import java.util.random.RandomGeneratorFactory;

import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Fork;
import org.openjdk.jmh.annotations.Measurement;
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Param;
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;
import org.openjdk.jmh.annotations.Setup;
import org.openjdk.jmh.annotations.State;
import org.openjdk.jmh.annotations.Threads;
import org.openjdk.jmh.annotations.Warmup;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
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;

//测试指标为吞吐量
@BenchmarkMode(Mode.Throughput)
//需要预热，排除 jit 即时编译以及 JVM 采集各种指标带来的影响，由于我们单次循环很多次，所以预热一次就行
@Warmup(iterations = 1)
//线程个数
@Threads(10)
@Fork(1)
//测试次数，我们测试50次
@Measurement(iterations = 50)
//定义了一个类实例的生命周期，所有测试线程共享一个实例
@State(value = Scope.Benchmark)
public class TestRandomGenerator {
	@Param({
			"Random", "SecureRandom", "SplittableRandom", "Xoroshiro128PlusPlus", "Xoshiro256PlusPlus", "L64X256MixRandom",
			"L64X128StarStarRandom", "L64X128MixRandom", "L64X1024MixRandom", "L32X64MixRandom", "L128X256MixRandom",
			"L128X128MixRandom", "L128X1024MixRandom"
	})
	private String name;
	ThreadLocal<RandomGenerator> randomGenerator;
	@Setup
	public void setup() {
		final String finalName = this.name;
		randomGenerator = ThreadLocal.withInitial(() -> RandomGeneratorFactory.of(finalName).create());
	}

	@Benchmark
	public void testRandomInt(Blackhole blackhole) throws Exception {
		blackhole.consume(randomGenerator.get().nextInt());
	}

	@Benchmark
	public void testRandomIntWithBound(Blackhole blackhole) throws Exception {
		//注意不取 2^n 这种数字，因为这种数字一般不会作为实际应用的范围，但是底层针对这种数字有优化
		blackhole.consume(randomGenerator.get().nextInt(1, 100));
	}

	public static void main(String[] args) throws RunnerException {
		Options opt = new OptionsBuilder().include(TestRandomGenerator.class.getSimpleName()).build();
		new Runner(opt).run();
	}
}

测试结果：

Benchmark                                                  (name)   Mode  Cnt          Score           Error  Units
TestRandomGenerator.testRandomInt                          Random  thrpt   50  276250026.985 ± 240164319.588  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                    SecureRandom  thrpt   50    2362066.269 ±   1277699.965  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                SplittableRandom  thrpt   50  365417656.247 ± 377568150.497  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt            Xoroshiro128PlusPlus  thrpt   50  341640250.941 ± 287261684.079  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt              Xoshiro256PlusPlus  thrpt   50  343279172.542 ± 247888916.092  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                L64X256MixRandom  thrpt   50  317749688.838 ± 245196331.079  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt           L64X128StarStarRandom  thrpt   50  294727346.284 ± 283056025.396  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                L64X128MixRandom  thrpt   50  314790625.909 ± 257860657.824  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt               L64X1024MixRandom  thrpt   50  315040504.948 ± 101354716.147  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt                 L32X64MixRandom  thrpt   50  311507435.009 ± 315893651.601  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt               L128X256MixRandom  thrpt   50  187922591.311 ± 137220695.866  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt               L128X128MixRandom  thrpt   50  218433110.870 ± 164229361.010  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomInt              L128X1024MixRandom  thrpt   50  220855813.894 ±  47531327.692  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound                 Random  thrpt   50  248088572.243 ± 206899706.862  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound           SecureRandom  thrpt   50    1926592.946 ±   2060477.065  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound       SplittableRandom  thrpt   50  334863388.450 ±  92778213.010  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound   Xoroshiro128PlusPlus  thrpt   50  252787781.866 ± 200544008.824  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound     Xoshiro256PlusPlus  thrpt   50  247673155.126 ± 164068511.968  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound       L64X256MixRandom  thrpt   50  273735605.410 ±  87195037.181  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound  L64X128StarStarRandom  thrpt   50  291151383.164 ± 192343348.429  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound       L64X128MixRandom  thrpt   50  217051928.549 ± 177462405.951  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound      L64X1024MixRandom  thrpt   50  222495366.798 ± 180718625.063  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound        L32X64MixRandom  thrpt   50  305716905.710 ±  51030948.739  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound      L128X256MixRandom  thrpt   50  174719656.589 ± 148285151.049  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound      L128X128MixRandom  thrpt   50  176431895.622 ± 143002504.266  ops/s
TestRandomGenerator.testRandomIntWithBound     L128X1024MixRandom  thrpt   50  198282642.786 ±  24204852.619  ops/s

在之前的结果验证中，我们已经知道了 SplittableRandom 的在单线程中的性能最好，多线程环境下表现最好的是算法与它类似但是做了多线程优化的 ThreadLocalRandom.

如何选择随机算法

原则是，看你的业务场景，所有的随机组合到底有多少个，在什么范围内。然后找大于这个范围的 Period 中，性能最好的算法。例如，业务场景是一副扑克除了大小王 52 张牌，通过随机数决定发牌顺序：

• 第一张牌：randomGenerator.nextInt(0, 52)，从剩余的 52 张牌选
• 第二张牌：randomGenerator.nextInt(0, 51)，从剩余的 51 张牌选
• 以此类推

那么一共有 52! 这么多结果，范围在 2^225 ~ 2^226 之间。如果我们使用的随机数生成器的 Period 小于这个结果集，那么某些牌的顺序，我们可能永远生成不了。所以，我们需要选择一个 Period > 54! 的随机数生成器。

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