作者：温绍锦 阿里云计算平台团队
一、相关知识 JDK String 的实现
字符串在 JDK 8 及 JDK 9 之后的实现有很大不同的。JDK 8 中，String 的结构是这样的：
1.1 String JDK 8 的实现
class String { char[] value;
// 构造函数会拷贝 public String(char value[]) { this.value = Arrays.copyOf(value, value.length); }
// 无拷贝构造函数 String(char[] value, boolean share) { // assert share : "unshared not supported"; this.value = value; }}
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1.2 String JDK 9 及之后版本的实现
class String { static final byte LATIN1 = 0; static final byte UTF16 = 1; byte code; byte[] value;
// 无拷贝构造函数 String(byte[] value, byte coder) { this.value = value; this.coder = coder; }}
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JDK9 之后，通过 byte[]来保存 value，通过 code 字段区分是 LATIN1 或者 UTF16。大多数的字符串都是 LATIN1。针对这种情况，我们构造字符串或者对字符串进行编码为二进制时，针对性做 ZeroCopy 的实现，可以获得极致的性能。
二、相关知识 Unsafe
JDK 8 之后提供 sun.Unsafe 可以做一些原生的操作，性能更好，不安全，错误的调用会导致 JVM Crash。如果用对了，能提升性能。Unsafe 能帮你绕过任何限制。
public class UnsafeUtils { public static final Unsafe UNSAFE; static { Unsafe unsafe = null; try { Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); theUnsafeField.setAccessible(true); unsafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(null); } catch (Throwable ignored) { // ignored } UNSAFE = unsafe; }}
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三、相关知识 Trusted MethodHandles.Lookup
JDK 8 开始支持 Lambda，为了方便将一个 Method 映射为一个 Lambda Function，避免反射开销。java.invoke.LambdaMetafactory 可以实现这一功能，但这个也受限于可见性的限制，也就是说不能调用私有方法。有一个技巧，结合 Unsafe，可以在不同版本的 JDK 都能构造一个 Trusted MethodHandles.Lookup 来绕开可见性的限制，调用任何 JDK 内部方法。如下：
import static com.alibaba.fastjson2.util.UnsafeUtils.UNSAFE;
static final MethodHandles.Lookup IMPL_LOOKUP;
static { Class lookupClass = MethodHandles.Lookup.class; Field implLookup = lookupClass.getDeclaredField("IMPL_LOOKUP"); long fieldOffset = UNSAFE.staticFieldOffset(implLookup); IMPL_LOOKUP = (MethodHandles.Lookup) UNSAFE.getObject(lookupClass, fieldOffset);}
static MethodHandles.Lookup trustedLookup(Class objectClass) throws Exception { return IMPL_LOOKUP.in(objectClass);}
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注意：在 IBM OpenJ9 JDK 8/11 版本上面的实现受到可见性限制，需要做额外处理，参考 FASTJSON2 JDKUtils#trustedLookup 的代码 ：
https://github.com/alibaba/fastjson2/blob/fastcode_demo_20221218/core/src/main/java/com/alibaba/fastjson2/util/JDKUtils.java#L254
四、零拷贝构造 String 对象
快速构造字符串的关键是要做减少拷贝，甚至零拷贝，在 JDK 8、JDK 9~15、JDK 16 及之后的版本的实现都不一样。
4.1 JDK 8 零拷贝构造 String 对象的实现
在 JDK8 中，实现零拷贝构造 String 对象，需要调用其构造函数 String(char[], boolean)，比如：
BiFunction<char[], Boolean, String> stringCreatorJDK8 = (char[] value, boolean share) -> new String(chars, boolean);
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由于 String(char[], boolean)方法不是 public 的，上面的代码会报错，要通过反射构造一个 TRUSTED 的 MethodHandles.Lookup，然调用 String 的内部方法，映射成一个 BiFunction<char[], Boolean, String>，代码如下：
import com.alibaba.fastjson2.util.JDKUtils;
import java.util.function.BiFunction;import java.lang.invoke.MethodHandles;import static java.lang.invoke.MethodType.methodType;
MethodHandles.Lookup caller = JDKUtils.trustedLookup(String.class);
MethodHandle handle = caller.findConstructor( String.class, methodType(void.class, char[].class, boolean.class));
CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory( caller, "apply", methodType(BiFunction.class), methodType(Object.class, Object.class, Object.class), handle, methodType(String.class, char[].class, boolean.class));BiFunction<char[], Boolean, String> STRING_CREATOR_JDK8 = (BiFunction<char[], Boolean, String>) callSite.getTarget().invokeExact();
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4.2 JDK9 及之后版本实现零拷贝构造 String 对象的实现
在 JDK 9~JDK 15 中，我们要构造一个这样的 Function 用于零拷贝构造 String 对象：
BiFunction<byte[], Byte, String> STRING_CREATOR_JDK11 = (byte[] value, byte coder) -> new String(value, coder);
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同样，JDK 9 中的 String(byte[], byte)方法不是 public，无法直接调用，上面的代码会报错，要构造一个 TRUSTED MethodHandles.Lookup 方法调用 String 内部方法，如下：
import com.alibaba.fastjson2.util.JDKUtils;import static java.lang.invoke.MethodType.methodType;
MethodHandles.Lookup caller = JDKUtils.trustedLookup(String.class);MethodHandle handle = caller.findConstructor( String.class, methodType(void.class, byte[].class, byte.class));CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory( caller, "apply", methodType(BiFunction.class), methodType(Object.class, Object.class, Object.class), handle, methodType(String.class, byte[].class, Byte.class));BiFunction<byte[], Byte, String> STRING_CREATOR_JDK11 = (BiFunction<byte[], Byte, String>) callSite.getTarget().invokeExact();
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注意：当用户配置 JVM 参数-XX:-CompactStrings 时，上述方法无效。
4.3 快速构造 String 对象应用举例
stiatic BiFunction<char[], Boolean, String> STRING_CREATOR_JDK8 = ...static BiFunction<byte[], Byte, String> STRING_CREATOR_JDK11 = ...
static String formatYYYYMMDD(LocalDate date) { int year = date.getYear(); int month = date.getMonthValue(); int dayOfMonth = date.getDayOfMonth();
int y0 = year / 1000 + '0'; int y1 = (year / 100) % 10 + '0'; int y2 = (year / 10) % 10 + '0'; int y3 = year % 10 + '0'; int m0 = month / 10 + '0'; int m1 = month % 10 + '0'; int d0 = dayOfMonth / 10 + '0'; int d1 = dayOfMonth % 10 + '0';
String str; if (STRING_CREATOR_JDK11 != null) { byte[] bytes = new byte[10]; bytes[0] = (byte) y0; bytes[1] = (byte) y1; bytes[2] = (byte) y2; bytes[3] = (byte) y3; bytes[4] = '-'; bytes[5] = (byte) m0; bytes[6] = (byte) m1; bytes[7] = '-'; bytes[8] = (byte) d0; bytes[9] = (byte) d1; str = STRING_CREATOR_JDK11.apply(bytes, JDKUtils.LATIN1); } else { char[] chars = new char[10]; chars[0] = (char) y1; chars[1] = (char) y2; chars[2] = (char) y3; chars[3] = (char) y4; chars[4] = '-'; chars[5] = (char) m0; chars[6] = (char) m1; chars[7] = '-'; chars[8] = (char) d0; chars[9] = (char) d1;
if (STRING_CREATOR_JDK8 != null) { str = STRING_CREATOR_JDK8.apply(chars, Boolean.TRUE); } else { str = new String(chars); } } return str;}
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上面的例子中，根据 JDK 版本，在 JDK 8 中直接创建 char[]，JDK 9 中直接创建 byte[]，然后通过零拷贝的方式构造字符串对象，这样就实现了快速格式化 LocalDate 到 String，这样的实现远比使用 SimpleDateFormat/java.time.DateTimeFormat 等实现要快得多。
五、直接访问 String 对象内部成员
5.1 JDK 8 快速访问 value
static final Field FIELD_STRING_VALUE;static final long FIELD_STRING_VALUE_OFFSET;
static { Field field = null; long fieldOffset = -1; try { field = String.class.getDeclaredField("value"); fieldOffset = UnsafeUtils.objectFieldOffset(field); } catch (Exception ignored) { FIELD_STRING_ERROR = true; }
FIELD_STRING_VALUE = field; FIELD_STRING_VALUE_OFFSET = fieldOffset;}
public static char[] getCharArray(String str) { if (!FIELD_STRING_ERROR) { try { return (char[]) UnsafeUtils.UNSAFE.getObject( str, FIELD_STRING_VALUE_OFFSET ); } catch (Exception ignored) { FIELD_STRING_ERROR = true; } }
return str.toCharArray();}
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5.2 JDK 9 及之后版本直接访问 coder & value
我们需要构造如下的函数：
ToIntFunction<String> stringCoder = (String str) -> str.coder();Function<String, byte[]> stringValue = (String str) -> str.value();
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但由于 String.coder 和 value 方法不是 public 可见的，和上面的 4.2 类似，要通过 TRUSTED MethodHandles.Lookup 构造，如下：
import com.alibaba.fastjson2.util.JDKUtils;import static java.lang.invoke.MethodType.methodType;
MethodHandles.Lookup lookup = JDKUtils.trustedLookup(String.class);MethodHandle coder = lookup.findSpecial( String.class, "coder", methodType(byte.class), String.class);CallSite applyAsInt = LambdaMetafactory.metafactory( lookup, "applyAsInt", methodType(ToIntFunction.class), methodType(int.class, Object.class), coder, MethodType.methodType(byte.class, String.class));ToIntFunction<String> STRING_CODER = (ToIntFunction<String>) applyAsInt.getTarget().invokeExact();
MethodHandle value = lookup.findSpecial( String.class, "value", methodType(byte[].class), String.class);CallSite apply = LambdaMetafactory.metafactory( lookup, "apply", methodType(Function.class), methodType(Object.class, Object.class), value, methodType(byte[].class, String.class));Function<String, byte[]> STRING_VALUE = (Function<String, byte[]>) apply.getTarget().invokeExact();
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5.3 直接访问举例
static Byte LATIN1 = 0;static ToIntFunction<String> STRING_CODER = ...static Function<String, byte[]> STRING_VALUE ...
byte[] buf = ...;int off;
void writeString(string str) { if (STRING_CODER != null && STRING_VALUE != null) { // improved for JDK 9 LATIN1 int coder = stringCoder.apply(str); if (coder == LATIN1) { // str.getBytes(0, str.length, buf, off); byte[] value = STRING_VALUE.apply(str); System.arrayCopy(value, 0, buf, off, value.length); return; } } // normal logic}
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5.4 巧用 String.getBytes 方法
String 有一个 Deprecated 的 getBytes 方法，当有非 LATIN 字符时，结果不对。但当在 coder 为 LATIN1 时，可用于直接拷贝其中 value。
class String { @Deprecated public void getBytes(int srcBegin, int srcEnd, byte dst[], int dstBegin) { int j = dstBegin; int n = srcEnd; int i = srcBegin; char[] val = value; /* avoid getfield opcode */
while (i < n) { dst[j++] = (byte)val[i++]; } }}
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static Byte LATIN1 = 0;static ToIntFunction<String> STRING_CODER = ...
byte[] buf = ...;int off;
void writeString(string str) { if (STRING_CODER != null) { // improved for JDK 9 LATIN1 int coder = STRING_CODER.apply(str); if (coder == LATIN1) { str.getBytes(0, str.length, buf, off); return; } } // normal logic}
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参考实现：FASTJSON2 项目使用了上面的技巧，其中 JDKUtils 和 UnsafeUtils 有上面技巧的实现：
JDKUtils：https://github.com/alibaba/fastjson2/blob/fastcode_demo_20221218/core/src/main/java/com/alibaba/fastjson2/util/JDKUtils.java
UnsafeUtils：https://github.com/alibaba/fastjson2/blob/fastcode_demo_20221218/core/src/main/java/com/alibaba/fastjson2/util/UnsafeUtils.java
注意事项：上面的技巧不建议新手使用，需要先清楚原理，才可使用。
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