大型小对象数组的缓慢初始化

Question

我今天偶然发现了这个案例，我想知道这个巨大的时间差异背后的原因是什么。

第一个版本初始化一个 5k x 5k 的原始整数数组：

public void initializeRaw() {
  int size = 5000;
  int[][] a = new int[size][size];
  for (int i = 0; i < size; i++)
    for (int j = 0; j < size; j++)
      a[i][j] = -1;
}

在我的机器上大约需要 300 毫秒。 另一方面，用简单的 2-int 结构初始化同一个数组：

public class Struct { public int x; public int y; }

public void initializeStruct() {
  int size = 5000;
  Struct[][] a = new Struct[size][size];
  for (int i = 0; i < size; i++)
    for (int j = 0; j < size; j++)
      a[i][j] = new Struct();
}

占用超过 15000 毫秒。

我希望它会慢一点，毕竟要分配的内存更多（如果我没记错的话，是 10 个字节而不是 4 个字节），但我不明白为什么要花 50 倍的时间。

谁能解释一下？也许有更好的方法来在 Java 中进行这种初始化？

编辑：为了进行一些比较 - 使用 Integer 而不是 int/Struct 的相同代码的工作时间为 700 毫秒 - 只慢了两倍。

Answer 1

我希望它会慢一点，毕竟要分配的内存更多（如果我没记错的话，是 10 个字节而不是 4 个字节），但我不明白为什么要花 50 倍的时间。

不，比这更糟糕。在第一种情况下，您正在创建 5001 个对象。在第二种情况下，您将创建 25,005,001 个对象。我怀疑每个Struct 对象将占用16 到32 个字节。 （这将取决于各种 JVM 细节，但这是一个粗略的猜测。）

在第一种情况下，您的 5001 个对象总共需要大约 100MB。如果您在一个具有 64 位引用的平台上，等效对象（数组）可能总共需要 ~200MB...那么还有另外 2500 万个对象需要分配和初始化。

所以是的，一个相当大的差异......

Answer 2

当您创建一个包含 5000 个整数的数组时，您将一次性为所有这些整数分配所需的所有空间，作为一个连续元素块。当您为每个数组元素分配一个 int 时，您并没有分配任何东西。将其与 5000 个 Struct 实例的数组进行对比。您遍历该数组，并为这 5000 个元素中的每一个元素分配一个 Struct 实例。分配一个对象比简单地将一个 int 值写入一个变量需要更长的时间。

您拥有二维数组这一事实在这里并没有太大的比较差异，因为这只是意味着您在两种情况下都分配了 5000 个数组对象。

如果您正在对 Integer 对象数组进行计时，然后将每个元素设置为 -1，那么您不会每次都分配单独的 Integer 对象。相反，您使用的是自动装箱，这意味着编译器隐式调用 Integer.valueOf(-1) 并且该方法每次都从缓存中返回相同的对象。

更新：回到解决您的问题，如果我理解正确，您需要将 5000x5000 结构保留在 2D 数组中，并且您对创建此数组所需的时间比使用原语长得多感到失望。为了提高性能，您可以创建两个基元数组，一个用于 Struct 的每个字段，但这会降低代码的清晰度。

您还可以创建一个 long 数组（因为每个 long 是 int 大小的两倍）并使用 & 和 >> 运算符来获取您的原始 int。同样，这会降低代码的清晰度，但您将只有一个数组。

但是，您似乎只专注于代码的一个部分，即数组的创建。您可能会发现您对每个元素所做的处理掩盖了创建数组所需的时间。分析您的整个应用程序并查看数组的创建是否重要。