Как объединение строк реализовано в Java 9?

Как написано в JEP 280: Указать конкатенацию строк :

Измените Stringпоследовательность байт-кода статической конкатенации, созданную с javacпомощью invokedynamicвызовов функций библиотеки JDK. Это позволит в будущем оптимизировать Stringконкатенацию, не требуя дальнейших изменений байт-кода, создаваемого javac.

Здесь я хочу понять, что такое использование invokedynamicвызовов и чем отличается конкатенация байт-кода от invokedynamic?

«Старый» способ выводит кучу StringBuilder-ориентированных операций. Рассмотрим эту программу:

public class Example {
    public static void main(String[] args)
    {
        String result = args[0] + "-" + args[1] + "-" + args[2];
        System.out.println(result);
    }
}

Если мы скомпилируем это с помощью JDK 8 или более ранней javap -c Exampleверсии, а затем воспользуемся им для просмотра байт-кода, мы увидим что-то вроде этого:

public class Example {
  общедоступный пример ();
    Код:
       0: aload_0
       1: invokespecial # 1 // Метод java / lang / Object. "<init>" :() V
       4: возврат

  public static void main (java.lang.String []);
    Код:
       0: новый # 2 // класс java / lang / StringBuilder
       3: дубли
       4: invokespecial # 3 // Метод java / lang / StringBuilder. "<init>" :() V
       7: aload_0
       8: iconst_0
       9: аалоад
      10: invokevirtual # 4 // Метод java / lang / StringBuilder.append: (Ljava / lang / String;) Ljava / lang / StringBuilder;
      13: ldc # 5 // Строка -
      15: invokevirtual # 4 // Метод java / lang / StringBuilder.append: (Ljava / lang / String;) Ljava / lang / StringBuilder;
      18: aload_0
      19: iconst_1
      20: аалоад
      21: invokevirtual # 4 // Метод java / lang / StringBuilder.append: (Ljava / lang / String;) Ljava / lang / StringBuilder;
      24: ldc # 5 // Строка -
      26: invokevirtual # 4 // Метод java / lang / StringBuilder.append: (Ljava / lang / String;) Ljava / lang / StringBuilder;
      29: aload_0
      30: iconst_2
      31: аалоад
      32: invokevirtual # 4 // Метод java / lang / StringBuilder.append: (Ljava / lang / String;) Ljava / lang / StringBuilder;
      35: invokevirtual # 6 // Метод java / lang / StringBuilder.toString :() Ljava / lang / String;
      38: astore_1
      39: getstatic # 7 // Поле java / lang / System.out: Ljava / io / PrintStream;
      42: aload_1
      43: invokevirtual # 8 // Метод java / io / PrintStream.println: (Ljava / lang / String;) V
      46: возврат
}

Как видите, он создает StringBuilderи использует append. Это известно довольно неэффективно, так как емкость встроенного буфера по умолчанию StringBuilderсоставляет всего 16 символов, и компилятор не знает, как выделить больше заранее, поэтому ему приходится перераспределять. Это также набор вызовов методов. (Обратите внимание, что JVM иногда может обнаруживать и переписывать эти шаблоны вызовов, чтобы сделать их более эффективными.)

Посмотрим, что генерирует Java 9:

public class Example {
  общедоступный пример ();
    Код:
       0: aload_0
       1: invokespecial # 1 // Метод java / lang / Object. "<init>" :() V
       4: возврат

  public static void main (java.lang.String []);
    Код:
       0: aload_0
       1: iconst_0
       2: aaload
       3: aload_0
       4: iconst_1
       5: аалоад
       6: aload_0
       7: iconst_2
       8: аалоад
       9: invokedynamic # 2, 0 // InvokeDynamic # 0: makeConcatWithConstants: (Ljava / lang / String; Ljava / lang / String; Ljava / lang / String;) Ljava / lang / String;
      14: astore_1
      15: getstatic # 3 // Поле java / lang / System.out: Ljava / io / PrintStream;
      18: aload_1
      19: invokevirtual # 4 // Метод java / io / PrintStream.println: (Ljava / lang / String;) V
      22: возврат
}

О боже, но это короче. :-) Он выполняет единственный вызов makeConcatWithConstantsfrom StringConcatFactory, в Javadoc которого говорится следующее:

Методы для облегчения создания методов конкатенации строк, которые можно использовать для эффективного конкатенации известного количества аргументов известных типов, возможно, после адаптации типа и частичной оценки аргументов. Эти методы обычно используются в качестве методов начальной загрузки для invokedynamicсайтов вызовов для поддержки функции конкатенации строк языка программирования Java.

Прежде чем вдаваться в подробности invokedynamicреализации, используемой для оптимизации конкатенации строк, на мой взгляд, необходимо получить некоторые сведения о том, что invokedynamic и как его использовать?

Эта invokedynamic инструкция упрощает и потенциально улучшает реализации компиляторов и систем времени выполнения для динамических языков на JVM . Он делает это, позволяя разработчику языка определять настраиваемое поведение связывания с помощью invokedynamicинструкции, которая включает следующие шаги.

Я бы, вероятно, попытался рассказать вам об изменениях, которые были внесены для реализации оптимизации конкатенации строк.

• Определение метода Bootstrap : - С Java9, методов начальной загрузки для invokedynamicсайтов вызова, чтобы поддерживать конкатенацию в первую очередь makeConcatи makeConcatWithConstantsбыли введены с StringConcatFactoryреализацией.

  Использование invokedynamic предоставляет альтернативу для выбора стратегии перевода до времени выполнения. Стратегия перевода, используемая в StringConcatFactory, аналогична стратегии, LambdaMetafactoryпредставленной в предыдущей версии Java. Кроме того, одной из целей JEP, упомянутых в вопросе, является дальнейшее расширение этих стратегий.

• Указание постоянных записей пула : - это дополнительные статические аргументы invokedynamicинструкции, кроме (1) MethodHandles.Lookupобъекта, который является фабрикой для создания дескрипторов методов в контексте invokedynamicинструкции, (2) Stringобъекта, имя метода, упомянутого в динамическом вызове site и (3) MethodTypeобъект, сигнатура разрешенного типа динамического сайта вызова.

  Уже есть ссылки во время связывания кода. Во время выполнения запускается метод начальной загрузки и связывается с фактическим кодом, выполняя конкатенацию. Он перезаписывает invokedynamicвызов соответствующим invokestaticвызовом. Это загружает постоянную строку из пула констант, статические аргументы метода начальной загрузки используются для передачи этих и других констант прямо в вызов метода начальной загрузки.

• Использование инструкции invokedynamic : - Это предлагает средства для ленивого связывания, предоставляя средства для однократной начальной загрузки цели вызова во время первоначального вызова. Конкретная идея оптимизации здесь состоит в том, чтобы заменить весь StringBuilder.appendтанец простым invokedynamicвызовом java.lang.invoke.StringConcatFactory, который примет значения, требующие объединения.

В предложении Indify String Concatenation приводится пример тестирования приложения с Java9, где компилируется аналогичный метод, используемый @TJ Crowder, и разница в байт-коде довольно заметна между различными реализациями.

Я немного добавлю здесь немного деталей. Главное, что нужно понять, это то, как выполняется конкатенация строк, это решение во время выполнения, а не во время компиляции . Таким образом, он может измениться, что означает, что вы один раз скомпилировали свой код для java-9, и он может изменить базовую реализацию, как пожелает, без необходимости повторной компиляции.

И второй момент: на данный момент это 6 possible strategies for concatenation of String:

 private enum Strategy {
    /**
     * Bytecode generator, calling into {@link java.lang.StringBuilder}.
     */
    BC_SB,

    /**
     * Bytecode generator, calling into {@link java.lang.StringBuilder};
     * but trying to estimate the required storage.
     */
    BC_SB_SIZED,

    /**
     * Bytecode generator, calling into {@link java.lang.StringBuilder};
     * but computing the required storage exactly.
     */
    BC_SB_SIZED_EXACT,

    /**
     * MethodHandle-based generator, that in the end calls into {@link java.lang.StringBuilder}.
     * This strategy also tries to estimate the required storage.
     */
    MH_SB_SIZED,

    /**
     * MethodHandle-based generator, that in the end calls into {@link java.lang.StringBuilder}.
     * This strategy also estimate the required storage exactly.
     */
    MH_SB_SIZED_EXACT,

    /**
     * MethodHandle-based generator, that constructs its own byte[] array from
     * the arguments. It computes the required storage exactly.
     */
    MH_INLINE_SIZED_EXACT
}

Вы можете выбрать любого из них с помощью параметра: -Djava.lang.invoke.stringConcat. Обратите внимание, что StringBuilderэто все еще вариант.