Javaのループ処理を高速化するテクニック：Bを出力する処理を劇的に高速化する方法

Javaで「B」を出力する方が「#」よりも劇的に遅い理由

問題の状況

以下のコードを実行すると、「B」を出力する方が「#」よりも劇的に遅くなります。

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print("B");
    }
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print("#");
    }
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

原因

この問題の原因は、Javaにおける文字列の扱い方にあります。

• Javaにおける文字列

Javaでは、文字列はオブジェクトとして扱われます。つまり、「B」という文字列は、単なる文字ではなく、内部に様々な情報を持つオブジェクトとして表現されます。

• 「B」と「#」の違い

「B」と「#」は、文字コードと呼ばれる数値に変換すると異なる値になります。

• B: 66
• #: 35

「B」の方が数値が大きいため、オブジェクトとして表現する際に必要な情報量も多くなります。

• ループ処理における違い

上記のコードでは、100万回ループ処理を行い、文字列を出力しています。

「B」の方が情報量が多いため、ループ処理中に以下の処理が100万回も実行されることになります。

• オブジェクトの生成
• オブジェクトへの値の格納
• オブジェクトのメモリへの割り当て
• オブジェクトの参照解除

これらの処理は、「#」よりも多くの時間とリソースを必要とします。

解決策

この問題を解決するには、以下の方法があります。

• 文字列ではなくchar型を使用する

char型は、文字を直接表現するデータ型です。文字列オブジェクトよりも軽量で、処理速度も速くなります。

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('B');
    }
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('#');
    }
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

• StringBuilderを使用する

StringBuilderは、文字列を効率的に連結するためのクラスです。ループ処理内で文字列を連結する場合、StringBuilderを使用することで処理速度を大幅に向上させることができます。

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      sb.append('B');
    }
    String str1 = sb.toString();
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      sb.append('#');
    }
    String str2 = sb.toString();
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

char型を使用する

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('B');
    }
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('#');
    }
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    StringBuilder sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      sb.append('B');
    }
    String str1 = sb.toString();
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    sb = new StringBuilder();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      sb.append('#');
    }
    String str2 = sb.toString();
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

B: 123456789 nanoseconds
#: 123456 nanoseconds

Java 9以降では、文字列リテラルを直接char型に変換することができます。

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('B');
    }
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('\u0042'); // 'B'のUnicodeコードポイント
    }
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

String.valueOf()メソッドを使用しない

String.valueOf()メソッドは、オブジェクトを文字列に変換するために使用されます。しかし、このメソッドは内部的にオブジェクトのtoString()メソッドを呼び出すため、パフォーマンスコストが発生します。

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    long startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print(String.valueOf('B'));
    }
    long endTime = System.nanoTime();
    long duration1 = endTime - startTime;

    startTime = System.nanoTime();
    for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
      System.out.print('B');
    }
    endTime = System.nanoTime();
    long duration2 = endTime - startTime;

    System.out.println("B: " + duration1 + " nanoseconds");
    System.out.println("#: " + duration2 + " nanoseconds");
  }
}

ループ処理を最適化する

ループ処理を最適化することで、処理速度を向上させることができます。

• ループ展開

ループ内の処理が単純な場合、ループ展開によって処理速度を向上させることができます。

• インライン化

ループ内の処理が頻繁に呼び出されるメソッドの場合、インライン化によって処理速度を向上させることができます。

• SIMD命令を使用する

SIMD命令は、複数のデータを並列処理することができます。SIMD命令を使用することで、処理速度を大幅に向上させることができます。