问题：

对于布尔函数，(p^q)和（p！=q)之间有什么有用的区别吗？

陈飞

2023-03-14

Java有两种方法来检查两个布尔值是否不同。您可以将它们与！=或^（异或）进行比较。当然，这两个操作符在所有情况下都产生相同的结果。但是，把它们都包括在内是有意义的，例如，在XOR和not-equal-to之间的区别是什么？。开发人员甚至可以根据上下文选择一个而不是另一个--有时“这两个布尔值中的一个是真的”读起来更好，而有时“这两个布尔值不同吗”能更好地传达意图。那么，或许用哪一种应该是品味和风格的问题。

让我吃惊的是javac并不是一视同仁的对待这些！请考虑此类：

class Test {
  public boolean xor(boolean p, boolean q) {
    return p ^ q;
  }
  public boolean inequal(boolean p, boolean q) {
    return p != q;
  }
}

显然，这两种方法具有相同的可见行为。但它们有不同的字节码：

$ javap -c Test
Compiled from "Test.java"
class Test {
  Test();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public boolean xor(boolean, boolean);
    Code:
       0: iload_1
       1: iload_2
       2: ixor
       3: ireturn

  public boolean inequal(boolean, boolean);
    Code:
       0: iload_1
       1: iload_2
       2: if_icmpeq     9
       5: iconst_1
       6: goto          10
       9: iconst_0
      10: ireturn
}

user=> (let [t (Test.)] (bench (.xor t true false)))
Evaluation count : 4681301040 in 60 samples of 78021684 calls.
             Execution time mean : 4.273428 ns
    Execution time std-deviation : 0.168423 ns
   Execution time lower quantile : 4.044192 ns ( 2.5%)
   Execution time upper quantile : 4.649796 ns (97.5%)
                   Overhead used : 8.723577 ns

Found 2 outliers in 60 samples (3.3333 %)
    low-severe   2 (3.3333 %)
 Variance from outliers : 25.4745 % Variance is moderately inflated by outliers
user=> (let [t (Test.)] (bench (.inequal t true false)))
Evaluation count : 4570766220 in 60 samples of 76179437 calls.
             Execution time mean : 4.492847 ns
    Execution time std-deviation : 0.162946 ns
   Execution time lower quantile : 4.282077 ns ( 2.5%)
   Execution time upper quantile : 4.813433 ns (97.5%)
                   Overhead used : 8.723577 ns

Found 2 outliers in 60 samples (3.3333 %)
    low-severe   2 (3.3333 %)
 Variance from outliers : 22.2554 % Variance is moderately inflated by outliers

在性能方面¹是不是更喜欢编写一个而不是另一个？在某种情况下，它们的实施方式不同，使得一个比另一个更合适？或者，有人知道为什么javac实现这两个相同的操作如此不同吗？

¹当然，我不会鲁莽地使用这些信息进行微优化。我只是好奇这一切是怎么运作的。

令狐新翰

2023-03-14

好吧，我将提供CPU如何转换，并更新文章，但同时，您看到的是太小的差异，不必在意。

java中的字节码并不是一个方法执行速度的指示，有两个JIT编译器，一旦它们足够热，就会使这个方法看起来完全不同。此外，javac编译代码后只进行很少的优化，真正的优化来自JIT。

为此，我使用jmh进行了一些测试，或者只使用c1编译器，或者用graalvm替换c2或者根本不使用jit。（下面是大量的测试代码，您可以跳过它，只看结果，这是使用jdk-12btw完成的）。这段代码使用的是JMH-在java微基准测试世界中使用的一个事实上的工具（如果手工完成，这是出了名的容易出错的）。

@Warmup(iterations = 10)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@Measurement(iterations = 2, time = 2, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
public class BooleanCompare {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Options opt = new OptionsBuilder()
            .include(BooleanCompare.class.getName())
            .build();

        new Runner(opt).run();
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(1)
    public boolean xor(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] ^ plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(1)
    public boolean plain(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = "-Xint")
    public boolean xorNoJIT(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = "-Xint")
    public boolean plainNoJIT(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = "-XX:-TieredCompilation")
    public boolean xorC2Only(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = "-XX:-TieredCompilation")
    public boolean plainC2Only(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = "-XX:TieredStopAtLevel=1")
    public boolean xorC1Only(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1, jvmArgsAppend = "-XX:TieredStopAtLevel=1")
    public boolean plainC1Only(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1,
        jvmArgsAppend = {
            "-XX:+UnlockExperimentalVMOptions",
            "-XX:+EagerJVMCI",
            "-Dgraal.ShowConfiguration=info",
            "-XX:+UseJVMCICompiler",
            "-XX:+EnableJVMCI"
        })
    public boolean xorGraalVM(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

    @Benchmark
    @BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
    @Fork(value = 1,
        jvmArgsAppend = {
            "-XX:+UnlockExperimentalVMOptions",
            "-XX:+EagerJVMCI",
            "-Dgraal.ShowConfiguration=info",
            "-XX:+UseJVMCICompiler",
            "-XX:+EnableJVMCI"
        })
    public boolean plainGraalVM(BooleanExecutionPlan plan) {
        return plan.booleans()[0] != plan.booleans()[1];
    }

}

和结果：

BooleanCompare.plain         avgt    2    3.125          ns/op
BooleanCompare.xor           avgt    2    2.976          ns/op

BooleanCompare.plainC1Only   avgt    2    3.400          ns/op
BooleanCompare.xorC1Only     avgt    2    3.379          ns/op

BooleanCompare.plainC2Only   avgt    2    2.583          ns/op
BooleanCompare.xorC2Only     avgt    2    2.685          ns/op

BooleanCompare.plainGraalVM  avgt    2    2.980          ns/op
BooleanCompare.xorGraalVM    avgt    2    3.868          ns/op

BooleanCompare.plainNoJIT    avgt    2  243.348          ns/op
BooleanCompare.xorNoJIT      avgt    2  201.342          ns/op

我不是一个多才多艺的人，读汇编程序，虽然我有时喜欢这样做。这里有一些有趣的事情。如果我们这样做：

C1编译器仅使用！=

/*
 * run many iterations of this with :
 *  java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions  
 *       -XX:TieredStopAtLevel=1  
 *       "-XX:CompileCommand=print,com/so/BooleanCompare.compare"  
 *       com.so.BooleanCompare
 */
public static boolean compare(boolean left, boolean right) {
    return left != right;
}

  0x000000010d1b2bc7: push   %rbp
  0x000000010d1b2bc8: sub    $0x30,%rsp  ;*iload_0 {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
                                         ; - com.so.BooleanCompare::compare@0 (line 22)

  0x000000010d1b2bcc: cmp    %edx,%esi
  0x000000010d1b2bce: mov    $0x0,%eax
  0x000000010d1b2bd3: je     0x000000010d1b2bde
  0x000000010d1b2bd9: mov    $0x1,%eax
  0x000000010d1b2bde: and    $0x1,%eax
  0x000000010d1b2be1: add    $0x30,%rsp
  0x000000010d1b2be5: pop    %rbp

C1编译器，带有^:

public static boolean compare(boolean left, boolean right) {
     return left ^ right;
}



  # parm0:    rsi       = boolean
  # parm1:    rdx       = boolean
  #           [sp+0x40]  (sp of caller)
  0x000000011326e5c0: mov    %eax,-0x14000(%rsp)
  0x000000011326e5c7: push   %rbp
  0x000000011326e5c8: sub    $0x30,%rsp   ;*iload_0 {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
                                          ; - com.so.BooleanCompare::compare@0 (line 22)

  0x000000011326e5cc: xor    %rdx,%rsi
  0x000000011326e5cf: and    $0x1,%esi
  0x000000011326e5d2: mov    %rsi,%rax
  0x000000011326e5d5: add    $0x30,%rsp
  0x000000011326e5d9: pop    %rbp

我真的不知道为什么这里需要和$0x1,%esi，否则我想这也相当简单。

但如果我启用C2编译器，事情就有趣多了。

/**
 * run with java
 * -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
 * -XX:CICompilerCount=2
 * -XX:-TieredCompilation
 * "-XX:CompileCommand=print,com/so/BooleanCompare.compare"
 * com.so.BooleanCompare
 */
public static boolean compare(boolean left, boolean right) {
    return left != right;
}



  # parm0:    rsi       = boolean
  # parm1:    rdx       = boolean
  #           [sp+0x20]  (sp of caller)
  0x000000011a2bbfa0: sub    $0x18,%rsp
  0x000000011a2bbfa7: mov    %rbp,0x10(%rsp)                

  0x000000011a2bbfac: xor    %r10d,%r10d
  0x000000011a2bbfaf: mov    $0x1,%eax
  0x000000011a2bbfb4: cmp    %edx,%esi
  0x000000011a2bbfb6: cmove  %r10d,%eax                     

  0x000000011a2bbfba: add    $0x10,%rsp
  0x000000011a2bbfbe: pop    %rbp

 sub    $0x18,%rsp
 mov    %rbp,0x10(%rsp)

 ....
 add    $0x10,%rsp
 pop    %rbp

xor    %r10d,%r10d // put zero into r10d
mov    $0x1,%eax   // put 1 into eax
cmp    %edx,%esi   // compare edx and esi
cmove  %r10d,%eax  // conditionally move the contents of r10d into eax

AFAIKcmp/cmove比cmp/je更好，因为它有分支预测--这至少是我读到的...

使用C2编译器进行异或：

public static boolean compare(boolean left, boolean right) {
    return left ^ right;
}



  0x000000010e6c9a20: sub    $0x18,%rsp
  0x000000010e6c9a27: mov    %rbp,0x10(%rsp)                

  0x000000010e6c9a2c: xor    %edx,%esi
  0x000000010e6c9a2e: mov    %esi,%eax
  0x000000010e6c9a30: and    $0x1,%eax
  0x000000010e6c9a33: add    $0x10,%rsp
  0x000000010e6c9a37: pop    %rbp

它看起来与生成的C1编译器几乎相同。

对于布尔函数，(p^q)和（p！=q)之间有什么有用的区别吗？

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