1. 概述
代码优化时，即使表达式语法的微小差异也可能影响性能。Java中2 * (i * i)和2 * i * i就是典型例子。乍看两者似乎相同，但计算顺序的细微差别会导致性能差异。
本文将深入探讨为何2 * (i * i)通常更快，并揭示背后的技术原理。让我们开始吧。
2. 表达式解析
先拆解两个表达式：
带括号版本：
2 * (i * i)
计算顺序：先执行i * i，再将结果乘以2。
无括号版本：
2 * i * i
计算顺序：从左到右，先计算2 * i，再将结果乘以i。
3. 性能对比
尽管两者理论结果相同，但运算顺序会影响实际性能：
3.1 编译器优化
JVM的JIT编译器在运行时优化代码，但优化效果依赖代码清晰度：
✅ 2 * (i * i)
括号明确指定运算顺序，编译器能更高效优化乘法操作。
❌ 2 * i * i
运算顺序不明确，可能导致编译器生成效率较低的优化方案。
关键点：括号为编译器提供了明确的计算路径指示，往往能生成更优的字节码。
3.2 整数溢出处理
当计算结果超过int最大值（2³¹-1）时会发生整数溢出。两种写法的溢出风险不同：
⚠️ 2 * i * i
若i较大，中间结果2 * i可能接近溢出阈值，后续再乘i时风险更高。
✅ 2 * (i * i)
先计算平方值i * i，再判断是否需要乘2，对大数值场景更安全。
3.3 CPU执行效率
CPU指令执行顺序受运算分组影响：
✅ 2 * (i * i)
CPU可高效处理平方运算（i * i），指令流水更顺畅。
❌ 2 * i * i
中间结果2 * i可能占用额外寄存器，尤其当值较大时增加CPU周期。
实际影响：
- 小数值场景差异可忽略
- 大数值或高频循环场景差异显著
4. JMH性能测试
用JMH（Java微基准测试工具）验证理论。测试参数配置：
@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Warmup(iterations = 3, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(1)
public class MultiplicationBenchmark {
private int smallValue = 255;
private int largeValue = 2187657;
@Benchmark
public int testSmallValueWithParentheses() {
return 2 * (smallValue * smallValue);
}
@Benchmark
public int testSmallValueWithoutParentheses() {
return 2 * smallValue * smallValue;
}
@Benchmark
public int testLargeValueWithParentheses() {
return 2 * (largeValue * largeValue);
}
@Benchmark
public int testLargeValueWithoutParentheses() {
return 2 * largeValue * largeValue;
}
}
测试结果（单位：纳秒/操作）：
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
MultiplicationBenchmark.largeValueWithParentheses avgt 5 1.066 ± 0.168 ns/op
MultiplicationBenchmark.largeValueWithoutParentheses avgt 5 1.283 ± 0.392 ns/op
MultiplicationBenchmark.smallValueWithParentheses avgt 5 1.173 ± 0.218 ns/op
MultiplicationBenchmark.smallValueWithoutParentheses avgt 5 1.222 ± 0.287 ns/op
结果分析： | 测试场景 | 平均耗时 | 性能对比 | |---------|---------|---------| | 大数值+括号 | 1.066 ns/op | ⚡ 最快 | | 大数值无括号 | 1.283 ns/op | 🐌 最慢 | | 小数值+括号 | 1.173 ns/op | ✅ 略优 | | 小数值无括号 | 1.222 ns/op | ❌ 略差 |
关键发现：
括号版本在大数值场景快20%，小数值场景也有微弱优势
5. 结论
虽然2 * (i * i)和2 * i * i结果相同，但前者通常更快。括号带来的性能优势体现在：
- ✅ 更优的编译器优化空间
- ✅ 更可预测的中间结果
- ✅ 降低整数溢出风险
- ✅ 更高效的CPU指令执行
开发建议：在性能敏感代码中，不仅要关注正确性，还需考虑执行方式。像括号位置这样的微小改动，可能带来显著性能提升——这正体现了理解语言底层机制的重要性。