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Fastjson 技术内幕
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文章来源:http://code.alibabatech.com/wiki/display/FastJSON/Inside+Fastjson

JSON协议使用方便,越来越流行。JSON的处理器有很多,为什么需要再写一个呢?因为我们需要一个性能很好的JSON Parser,希望JSON Parser的性能有二进制协议一样好,比如和protobuf一样,这可不容易,但确实做到了。有人认为这从原理上就是不可能的,但是计算机乃实践科 学,看实际的结果比原理推导更重要。

这篇文章告诉大家:

  • Fastjson究竟有多快
  • 为什么Fastjson这么快
  • 你能用Fastjson来做什么!
  • 如何获得fastjson?

首先,Fastjson究竟有多快?

我们看一下使用https://github.com/eishay/jvm-serializers/提供的程序进行测试得到的结果:

  序列化时间 反序列化时间 大小 压缩后大小
java序列化 8654 43787 889 541
hessian 6725 10460 501 313
protobuf 2964 1745 239 149
thrift 3177 1949 349 197
avro 3520 1948 221 133
json-lib 45788 149741 485 263
jackson 3052 4161 503 271
fastjson 2595 1472 468 251

这是一个468bytes的JSON Bytes测试,从测试结果来看,无论序列化和反序列化,Fastjson超越了protobuf,可以当之无愧fast! 它比java deserialize快超过30多倍,比json-lib快100倍。由于Fastjson的存在,你可以放心使用json统一协议,达到文本协议的可 维护性,二进制协议的性能。

JSON处理主要包括两个部分,serialize和deserialize。serialize就是把Java对象变成JSON String或者JSON Bytes。Deserialize是把JSON String或者Json Bytes变成java对象。其实这个过程有些JSON库是分三部分的,json string <-> json tree <-> java object。Fastjson也支持这种转换方式,但是这种转换方式因为有多余的步骤,性能不好,不推荐使用。

为什么Fastjson能够做到这么快?

一、Fastjson中Serialzie的优化实现

1、自行编写类似StringBuilder的工具类SerializeWriter。

把java对象序列化成json文本,是不可能使用字符串直接拼接的,因为这样性能很差。比字符串拼接更好的办法是使用 java.lang.StringBuilder。StringBuilder虽然速度很好了,但还能够进一步提升性能的,fastjson中提供了一个 类似StringBuilder的类com.alibaba.fastjson.serializer.SerializeWriter。

SerializeWriter提供一些针对性的方法减少数组越界检查。例如public void writeIntAndChar(int i, char c) {},这样的方法一次性把两个值写到buf中去,能够减少一次越界检查。目前SerializeWriter还有一些关键的方法能够减少越界检查的,我还 没实现。也就是说,如果实现了,能够进一步提升serialize的性能。

2、使用ThreadLocal来缓存buf。

这个办法能够减少对象分配和gc,从而提升性能。SerializeWriter中包含了一个char[] buf,每序列化一次,都要做一次分配,使用ThreadLocal优化,能够提升性能。

3、使用asm避免反射

获取java bean的属性值,需要调用反射,fastjson引入了asm的来避免反射导致的开销。fastjson内置的asm是基于objectweb asm 3.3.1改造的,只保留必要的部分,fastjson asm部分不到1000行代码,引入了asm的同时不导致大小变大太多。

4、使用一个特殊的IdentityHashMap优化性能。

fastjson对每种类型使用一种serializer,于是就存在class -> JavaBeanSerizlier的映射。fastjson使用IdentityHashMap而不是HashMap,避免equals操作。我们知道 HashMap的算法的transfer操作,并发时可能导致死循环,但是ConcurrentHashMap比HashMap系列会慢,因为其使用 volatile和lock。fastjson自己实现了一个特别的IdentityHashMap,去掉transfer操作的 IdentityHashMap,能够在并发时工作,但是不会导致死循环。

5、缺省启用sort field输出

json的object是一种key/value结构,正常的hashmap是无序的,fastjson缺省是排序输出的,这是为deserialize优化做准备。

6、集成jdk实现的一些优化算法

在优化fastjson的过程中,参考了jdk内部实现的算法,比如int to char[]算法等等。

 

二、fastjson的deserializer的主要优化算法

deserializer也称为parser或者decoder,fastjson在这方面投入的优化精力最多。

1、读取token基于预测。

所有的parser基本上都需要做词法处理,json也不例外。fastjson词法处理的时候,使用了基于预测的优化算法。比如key之后,最大 的可能是冒号":",value之后,可能是有两个,逗号","或者右括号"}"。在 com.alibaba.fastjson.parser.JSONScanner中提供了这样的方法:

public void nextToken(int expect) {
    for (;;) {
        switch (expect) {
            case JSONToken.COMMA: // 
                if (ch == ',') {
                    token = JSONToken.COMMA;
                    ch = buf[++bp];
                    return;
                }

                if (ch == '}') {
                    token = JSONToken.RBRACE;
                    ch = buf[++bp];
                    return;
                }

                if (ch == ']') {
                    token = JSONToken.RBRACKET;
                    ch = buf[++bp];
                    return;
                }

                if (ch == EOI) {
                    token = JSONToken.EOF;
                    return;
                }
                break;
        // ... ...
    }
}

从上面摘抄下来的代码看,基于预测能够做更少的处理就能够读取到token。

2、sort field fast match算法

fastjson的serialize是按照key的顺序进行的,于是fastjson做deserializer时候,采用一种优化算法,就是假 设key/value的内容是有序的,读取的时候只需要做key的匹配,而不需要把key从输入中读取出来。通过这个优化,使得fastjson在处理 json文本的时候,少读取超过50%的token,这个是一个十分关键的优化算法。基于这个算法,使用asm实现,性能提升十分明显,超过300%的性 能提升。

{ "id" : 123, "name" : "魏加流", "salary" : 56789.79}
  ------      --------          ----------  

在上面例子看,虚线标注的三个部分是key,如果key_id、key_name、key_salary这三个key是顺序的,就可以做优化处理,这三个key不需要被读取出来,只需要比较就可以了。

这种算法分两种模式,一种是快速模式,一种是常规模式。快速模式是假定key是顺序的,能快速处理,如果发现不能够快速处理,则退回常规模式。保证性能的同时,不会影响功能。

在这个例子中,常规模式需要处理13个token,快速模式只需要处理6个token。

实现sort field fast match算法的代码在这个类com.alibaba.fastjson.parser.deserializer.ASMDeserializerFactory,是使用asm针对每种类型的VO动态创建一个类实现的。
这里是有一个用于演示sort field fast match算法的代码:http://code.alibabatech.com/svn/fastjson/trunk/fastjson/src/test/java/data/media/ImageDeserializer.java

// 用于快速匹配的每个字段的前缀
char[] size_   = "\"size\":".toCharArray();
char[] uri_    = "\"uri\":".toCharArray();
char[] titile_ = "\"title\":".toCharArray();
char[] width_  = "\"width\":".toCharArray();
char[] height_ = "\"height\":".toCharArray();

// 保存parse开始时的lexer状态信息
int mark = lexer.getBufferPosition();
char mark_ch = lexer.getCurrent();
int mark_token = lexer.token();

int height = lexer.scanFieldInt(height_);
if (lexer.matchStat == JSONScanner.NOT_MATCH) {
    // 退出快速模式, 进入常规模式
    lexer.reset(mark, mark_ch, mark_token);
    return (T) super.deserialze(parser, clazz);
}

String value = lexer.scanFieldString(size_);
if (lexer.matchStat == JSONScanner.NOT_MATCH) {
    // 退出快速模式, 进入常规模式
    lexer.reset(mark, mark_ch, mark_token);
    return (T) super.deserialze(parser, clazz);
}
Size size = Size.valueOf(value);

// ... ...

// batch set
Image image = new Image();
image.setSize(size);
image.setUri(uri);
image.setTitle(title);
image.setWidth(width);
image.setHeight(height);

return (T) image;

3、使用asm避免反射

deserialize的时候,会使用asm来构造对象,并且做batch set,也就是说合并连续调用多个setter方法,而不是分散调用,这个能够提升性能。

4、对utf-8的json bytes,针对性使用优化的版本来转换编码。

这个类是com.alibaba.fastjson.util.UTF8Decoder,来源于JDK中的UTF8Decoder,但是它使用ThreadLocal Cache Buffer,避免转换时分配char[]的开销。
ThreadLocal Cache的实现是这个类com.alibaba.fastjson.util.ThreadLocalCache。第一次1k,如果不够,会增长,最多增长到128k。

//代码摘抄自com.alibaba.fastjson.JSON
public static final <T> T parseObject(byte[] input, int off, int len, CharsetDecoder charsetDecoder, Type clazz,
                                      Feature... features) {
    charsetDecoder.reset();

    int scaleLength = (int) (len * (double) charsetDecoder.maxCharsPerByte());
    char[] chars = ThreadLocalCache.getChars(scaleLength); // 使用ThreadLocalCache,避免频繁分配内存

    ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.wrap(input, off, len);
    CharBuffer charByte = CharBuffer.wrap(chars);
    IOUtils.decode(charsetDecoder, byteBuf, charByte);

    int position = charByte.position();

    return (T) parseObject(chars, position, clazz, features);}

6、symbolTable算法。

我们看xml或者javac的parser实现,经常会看到有一个这样的东西symbol table,它就是把一些经常使用的关键字缓存起来,在遍历char[]的时候,同时把hash计算好,通过这个hash值在hashtable中来获取 缓存好的symbol,避免创建新的字符串对象。这种优化在fastjson里面用在key的读取,以及enum value的读取。这是也是parse性能优化的关键算法之一。

以下是摘抄自JSONScanner类中的代码,这段代码用于读取类型为enum的value。

int hash = 0;
for (;;) {
    ch = buf[index++];
    if (ch == '\"') {
        bp = index;
        this.ch = ch = buf[bp];
        strVal = symbolTable.addSymbol(buf, start, index - start - 1, hash); // 通过symbolTable来获得缓存好的symbol,包括fieldName、enumValue
        break;
    }
    
    hash = 31 * hash + ch; // 在token scan的过程中计算好hash

    // ... ...
}

我们能用fastjson来作什么?

1、替换其他所有的json库,java世界里没有其他的json库能够和fastjson可相比了。
2、使用fastjson的序列化和反序列化替换java serialize,java serialize不单性能慢,而且体制大。
3、使用fastjson替换hessian,json协议和hessian协议大小差不多一样,而且fastjson性能优越,10倍于hessian
4、把fastjson用于memached缓存对象数据。

如何获得fastjson

官方网站

Fastjson是开源的,基于Apache 2.0协议。你可以在官方网站了解最新信息。http://code.alibabatech.com/wiki/display/FastJSON/Home

 

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Binary : http://code.alibabatech.com/mvn/releases/com/alibaba/fastjson/1.1.2/fastjson-1.1.2.jar
Source :http://code.alibabatech.com/mvn/releases/com/alibaba/fastjson/1.1.2/fastjson-1.1.2-sources.jar
Subversion : http://code.alibabatech.com/svn/fastjson/trunk/fastjson/

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