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Fastjson技术内幕

发布时间：2020-12-16 19:58:53 所属栏目：百科 来源：网络整理
导读：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
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。

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：
Java代码
  1. publicvoidnextToken(intexpect){
  2. for(;;){
  3. switch(expect){
  4. caseJSONToken.COMMA://
  5. if(ch==','){
  6. token=JSONToken.COMMA;
  7. ch=buf[++bp];
  8. return;
  9. }
  11. if(ch=='}'){
  12. token=JSONToken.RBRACE;
  13. if(ch==']'){
  14. token=JSONToken.RBRACKET;
  15. if(ch==EOI){
  16. token=JSONToken.EOF;
  17. break;
  18. //......
  19. }

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
    http://code.alibabatech.com/svn/fastjson/trunk/fastjson/src/main/java/com/alibaba/fastjson/parser/deserializer/ASMDeserializerFactory.java，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
  • intmark=lexer.getBufferPosition();
  • charmark_ch=lexer.getCurrent();
  • intmark_token=lexer.token();
  • intheight=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);
  • Stringvalue=lexer.scanFieldString(size_);
  • Sizesize=Size.valueOf(value);
  • //batchset
  • Imageimage=newImage();
  • 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
  • staticfinal<T>TparSEObject(byte[]input,intoff,85); font-weight:bold">intlen,CharsetDecodercharsetDecoder,Typeclazz,
  • Feature...features){
  • charsetDecoder.reset();
  • intscaleLength=(int)(len*(double)charsetDecoder.maxCharsPerByte());
  • char[]chars=ThreadLocalCache.getChars(scaleLength);//使用ThreadLocalCache，避免频繁分配内存
  • ByteBufferbyteBuf=ByteBuffer.wrap(input,off,len);
  • CharBuffercharByte=CharBuffer.wrap(chars);
  • IOUtils.decode(charsetDecoder,byteBuf,charByte);
  • intposition=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。
    inthash=0;
  • 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
  • hash=31*hash+ch;//在tokenscan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
    h3. 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

    maven用户
    * Maven仓库 http://code.alibabatech.com/mvn/releases/
    {code}
    <dependency>
    <groupId>com.alibaba</groupId>
    <artifactId>fastjson</artifactId>
    <version>1.1.2</version>
    </dependency>
    {code}

    Downlaods
    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/

    （编辑：李大同）

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