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fast-json 内幕

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
protobuf2964 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  收藏代码
  1. public void nextToken(int expect) {  
  2.     for (;;) {  
  3.         switch (expect) {  
  4.             case JSONToken.COMMA: //   
  5.                 if (ch == ‘,‘) {  
  6.                     token = JSONToken.COMMA;  
  7.                     ch = buf[++bp];  
  8.                     return;  
  9.                 }  
  10.   
  11.                 if (ch == ‘}‘) {  
  12.                     token = JSONToken.RBRACE;  
  13.                     ch = buf[++bp];  
  14.                     return;  
  15.                 }  
  16.   
  17.                 if (ch == ‘]‘) {  
  18.                     token = JSONToken.RBRACKET;  
  19.                     ch = buf[++bp];  
  20.                     return;  
  21.                 }  
  22.   
  23.                 if (ch == EOI) {  
  24.                     token = JSONToken.EOF;  
  25.                     return;  
  26.                 }  
  27.                 break;  
  28.         // ... ...  
  29.     }  
  30. }  


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。

Java代码  收藏代码
  1. "id" : 123, "name" : "魏加流", "salary" : 56789.79}  
  2.   ------      --------          ----------    


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

Java代码  收藏代码
  1. // 用于快速匹配的每个字段的前缀  
  2. char[] size_   = "\"size\":".toCharArray();  
  3. char[] uri_    = "\"uri\":".toCharArray();  
  4. char[] titile_ = "\"title\":".toCharArray();  
  5. char[] width_  = "\"width\":".toCharArray();  
  6. char[] height_ = "\"height\":".toCharArray();  
  7.   
  8. // 保存parse开始时的lexer状态信息  
  9. int mark = lexer.getBufferPosition();  
  10. char mark_ch = lexer.getCurrent();  
  11. int mark_token = lexer.token();  
  12.   
  13. int height = lexer.scanFieldInt(height_);  
  14. if (lexer.matchStat == JSONScanner.NOT_MATCH) {  
  15.     // 退出快速模式, 进入常规模式  
  16.     lexer.reset(mark, mark_ch, mark_token);  
  17.     return (T) super.deserialze(parser, clazz);  
  18. }  
  19.   
  20. String value = lexer.scanFieldString(size_);  
  21. if (lexer.matchStat == JSONScanner.NOT_MATCH) {  
  22.     // 退出快速模式, 进入常规模式  
  23.     lexer.reset(mark, mark_ch, mark_token);  
  24.     return (T) super.deserialze(parser, clazz);  
  25. }  
  26. Size size = Size.valueOf(value);  
  27.   
  28. // ... ...  
  29.   
  30. // batch set  
  31. Image image = new Image();  
  32. image.setSize(size);  
  33. image.setUri(uri);  
  34. image.setTitle(title);  
  35. image.setWidth(width);  
  36. image.setHeight(height);  
  37.   
  38. 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。

Java代码  收藏代码
  1. //代码摘抄自com.alibaba.fastjson.JSON  
  2. public static final <T> T parseObject(byte[] input, int off, int len, CharsetDecoder charsetDecoder, Type clazz,  
  3.                                       Feature... features) {  
  4.     charsetDecoder.reset();  
  5.   
  6.     int scaleLength = (int) (len * (double) charsetDecoder.maxCharsPerByte());  
  7.     char[] chars = ThreadLocalCache.getChars(scaleLength); // 使用ThreadLocalCache,避免频繁分配内存  
  8.   
  9.     ByteBuffer byteBuf = ByteBuffer.wrap(input, off, len);  
  10.     CharBuffer charByte = CharBuffer.wrap(chars);  
  11.     IOUtils.decode(charsetDecoder, byteBuf, charByte);  
  12.   
  13.     int position = charByte.position();  
  14.   
  15.     return (T) parseObject(chars, position, clazz, features);  
  16. }  



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。

Java代码  收藏代码
  1. int hash = 0;  
  2. for (;;) {  
  3.     ch = buf[index++];  
  4.     if (ch == ‘\"‘) {  
  5.         bp = index;  
  6.         this.ch = ch = buf[bp];  
  7.         strVal = symbolTable.addSymbol(buf, start, index - start - 1, hash); // 通过symbolTable来获得缓存好的symbol,包括fieldName、enumValue  
  8.         break;  
  9.     }  
  10.       
  11.     hash = 31 * hash + ch; // 在token scan的过程中计算好hash  
  12.   
  13.     // ... ...  
  14. }  



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/

Java代码  收藏代码
  1. <dependency>  
  2.      <groupId>com.alibaba</groupId>  
  3.      <artifactId>fastjson</artifactId>  
  4.      <version>1.1.2</version>  
  5. </dependency>  




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/

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