为什么带有两个常量的三元运算符比带有变量的三元运算符更快？

在Java中，我有两个不同的语句，通过使用三元运算符来实现相同的结果，如下所示：

1. num < 0 ? 0 : num;
2. num * (num < 0 ? 0 : 1);

看来第二条语句不必要地复杂，并且比第一条语句花费的时间更长，但是当我使用以下代码记录每个语句所花费的时间时，结果如下：

final long startTime = System.currentTimeMillis();

Random rand = new Random();
float[] results = new float[100000000];
for (int i = 0; i < 100000000; i++) {
    float num = (rand.nextFloat() * 2) - 1;
    results[i] = num < 0 ? 0 : num;
    //results[i] = num * (num < 0 ? 0 : 1);
}

final long endTime = System.currentTimeMillis();

System.out.println("Total Time: " + (endTime - startTime));

1. 1.232秒
2. 1.023秒 （每个平均值超过 5 次运行）

为什么使用第二个语句时会有如此显着的加速？它似乎包含了不必要的乘法并且具有相同的比较。第一个创建分支而第二个没有创建分支吗？

首先，让我们重写基准测试JMH避免常见的基准测试陷阱.

public class FloatCompare {

    @Benchmark
    public float cmp() {
        float num = ThreadLocalRandom.current().nextFloat() * 2 - 1;
        return num < 0 ? 0 : num;
    }

    @Benchmark
    public float mul() {
        float num = ThreadLocalRandom.current().nextFloat() * 2 - 1;
        return num * (num < 0 ? 0 : 1);
    }
}

JMH 还表明乘法代码更快：

Benchmark         Mode  Cnt   Score   Error  Units
FloatCompare.cmp  avgt    5  12,940 ± 0,166  ns/op
FloatCompare.mul  avgt    5   6,182 ± 0,101  ns/op

现在是时候参与了性能分析器（内置于 JMH 中）查看 JIT 编译器生成的程序集。以下是输出中最重要的部分（评论是我的）：

cmp method:

  5,65%  │││  0x0000000002e717d0: vxorps  xmm1,xmm1,xmm1  ; xmm1 := 0
  0,28%  │││  0x0000000002e717d4: vucomiss xmm1,xmm0      ; compare num < 0 ?
  4,25%  │╰│  0x0000000002e717d8: jbe     2e71720h        ; jump if num >= 0
  9,77%  │ ╰  0x0000000002e717de: jmp     2e71711h        ; jump if num < 0

mul method:

  1,59%  ││  0x000000000321f90c: vxorps  xmm1,xmm1,xmm1    ; xmm1 := 0
  3,80%  ││  0x000000000321f910: mov     r11d,1h           ; r11d := 1
         ││  0x000000000321f916: xor     r8d,r8d           ; r8d := 0
         ││  0x000000000321f919: vucomiss xmm1,xmm0        ; compare num < 0 ?
  2,23%  ││  0x000000000321f91d: cmovnbe r11d,r8d          ; r11d := r8d if num < 0
  5,06%  ││  0x000000000321f921: vcvtsi2ss xmm1,xmm1,r11d  ; xmm1 := (float) r11d
  7,04%  ││  0x000000000321f926: vmulss  xmm0,xmm1,xmm0    ; multiply

关键的区别是没有跳转指令mul方法。相反，条件移动指令cmovnbe用来。

cmov与整数寄存器一起使用。自从(num < 0 ? 0 : 1)表达式在右侧使用整数常量，JIT 足够智能，可以发出条件移动而不是条件跳转。

在这个基准测试中，条件跳转的效率非常低，因为分支预测由于数字的随机性，经常会失败。这就是为什么无分支代码mul方法出现得更快。

如果我们以一个分支优于另一个分支的方式修改基准，例如通过替换

ThreadLocalRandom.current().nextFloat() * 2 - 1

with

ThreadLocalRandom.current().nextFloat() * 2 - 0.1f

那么分支预测会更好地工作，并且cmp方法将变得一样快mul:

Benchmark         Mode  Cnt  Score   Error  Units
FloatCompare.cmp  avgt    5  5,793 ± 0,045  ns/op
FloatCompare.mul  avgt    5  5,764 ± 0,048  ns/op