자바 성능 튜닝 - loop (for, while) 성능 향상

By starseat
2024-04-24 16:02:02
java/spring

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[자바 성능 튜닝 이야기](https://product.kyobobook.co.kr/detail/S000001032977) 책을 읽고 정리한 내용 입니다.

---

# 조건문 - if, switch-case

반복문 안에서의 조건문 처리에 대해서도 성능을 향상시킬 수 있다.
`switch` 문은 jdk 6 버전까진 기본 자료형(byte, short, char, int) 만 사용 가능했지만 jdk 7 버전부터 String 도 사용 가능해졌다.

일반적으로 `if` 문을 많이 사용하면 성능이 느려진다.

## if

- 샘플 코드

```java
import java.util.*;

import org.openjdk.jmh.annotations.*;

@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode({ Mode.AverageTime })
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
public class ConditionIf {
	int LOOP_COUNT = 1000;

@GenerateMicroBenchmark
	public void randomOnly() {
		Random random = new Random();
		int data = 1000 + random.nextInt();
		for(int i=0; i<LOOP_COUNT; i++) {
			resultProcess("dummy");
		}
	}

@GenerateMicroBenchmark
	public void if_10() {
		Random random = new Random();
		String result = null;
		int data = LOOP_COUNT + random.nextInt();
		for(int i=0; i<LOOP_COUNT; i++) {
			     if(data <  50) { result = "50";  }
			else if(data < 150) { result = "150"; }
			else if(data < 250) { result = "250"; }
			else if(data < 350) { result = "350"; }
			else if(data < 450) { result = "450"; }
			else if(data < 550) { result = "550"; }
			else if(data < 650) { result = "650"; }
			else if(data < 750) { result = "750"; }
			else if(data < 850) { result = "850"; }
			else if(data < 950) { result = "950"; }
			else { result = "over"; }

resultProcess(result);
		}
	}

@GenerateMicroBenchmark
	public void if_100() {
		Random random = new Random();
		String result = null;
		int data = (LOOP_COUNT * 10) + random.nextInt();
		for(int i=0; i<LOOP_COUNT; i++) {
			     if(data <  50) { result = "50";  }
			else if(data < 150) { result = "150"; }
			else if(data < 250) { result = "250"; }
			else if(data < 350) { result = "350"; }
			
			// ... 중간 총 100 개의 if 문 생략
			else if(data < 9950) { result = "9950"; }
			else { result = "over"; }

resultProcess(result);
		}
	}

String current;
	public void resultProcess(String result) {
		current = result;
	}
}
```

`randomOnly()` 메서드는 랜덤 숫자를 생성하고, `resultProcess()` 메서드를 호출하는 작업을 수행한다.
`randomOnly()` 메서드는 `if`문이 있는 경우와 없는 경우를 비교하기 위한 기준을 삼기 위하여 추가하였다.

- 결과

| 대상 | 응답 시간 (ms) |
| -- | -- |
| randomOnly | 0.46 |
| if_10 | 5 |
| if_100 | 63 |

`if`문이 많을 수록 더 많은 시간이 소요 되는 것을 볼 수 있다.
숫자 비교시 `switch` 문이 `if`문 보다 가독성이 좋아 `switch` 사용을 권장한다.

## switch - String 비교

jdk 7 부터는 `switch` 문에서 `String` 사용이 가능한데 이는 **int 정수를 리턴하는 hashCode()** 메서드 때문이다.

다음 샘플 코드가 컴파일을 거치면 다음과 같이 처리된다.

- 샘플코드

```java
public int getMonthNumber(String str) {
	int month = -1;
	switch(str) {
		case "January": month = 1; break;
		case "February": month = 2; break;
		case "March": month = 3; break;
		case "April": month = 4; break;
		case "May": month = 5; break;
		case "June": month = 6; break;
		case "July": month = 7; break;
		case "August" month = 8; break;
		case "September": month = 9; break;
		case "October": month = 10; break;
		case "November": month = 11; break;
		case "December": month = 12; break;
	}
	return month;
}
```

- 컴파일 (javap 명령어를 사용하여 출력한 내용 중 발췌)

```java
public int getMonthNumber(java.lang.String);
	code:
	// ...
	8: lookupswitch { // 12
		-199248958: 116
		-162006966: 128
		 -25881423: 140
		     77125: 152
		   2320440: 164
		   2320482: 176
		  43165376: 188
		  63478374: 200
		  74113571: 212
		 626483269: 224
		1703773522: 236
		1972131363: 248
		   default: 324
	}
	// ...
```

컴파일하면서 case 문에 있는 각 값들이 `hashCode` 로 변환하고, 그 값을 작은 값부터 정렬하여 String 의 `equals()` 메서드를 사용하여 비교한다.

**switch-case 문은 작은 숫자부터 큰 숫자를 비교하는게 가장 빠르다.**
따라서 가능하면 `hashCode` 숫자값을 고려하면 성능 향상을 기대해볼 수 있다.

# 반복문(loop) - for, do-while, while

반복문으로 `for`, `do-while`, `while` 이 있지만 `while` 문을 잘못사용하면 무한 루프에 빠질 수 있으므로 `for` 문을 권장한다.

## for, for-each

`for`문을 사용할 때는

```java
for(int i=0; i<size; i++)
```

이런 형식이 일반적이지만 **java 5 부터는 for-each 를 사용할 수 있다.**

```java
List<String> list = new ArrayList<>();

// ...

for(String str : list) {
```

이 `for-each` 는 `get()` 메서드나 `elementAt()` 메서드를 호출할 필요없이 바로 사용할 수 있어 편하지만,
처음 부터 끝까지의 데이터 처리할 경우만 유용하다.
역순이나 특정값 부터 탐색하는 경우는 적절하지 않다.

## for 성능 비교

- 샘플 코드

```java
import java.util.*;

import org.openjdk.jmh.annotations.*;

@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode({ Mode.AverageTime })
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
public class ForLoop {
	int LOOP_COUNT = 100000;
	List<Integer> list;

@Setup
	public void setUp() {
		list = new ArrayList<>(LOOP_COUNT);
		for(int i=0; i<LOOP_COUNT; i++) {
			list.add(i);
		}
	}

@GenerateMicroBenchmark
	public void traditionalForLoop() {
		int size = list.size();
		for(int i=0; i<size; i++) {
			resultProcess(list.get(i));
		}
	}

@GenerateMicroBenchmark
	public void traditionalSizeForLoop() {
		for(int i=0; i<list.size(); i++) {
			resultProcess(list.get(i));
		}
	}

@GenerateMicroBenchmark
	public void timeForEachLoop() {
		for(Integer item : list) {
			resultProcess(item);
		}
	}

String current;
	public void resultProcess(String result) {
		current = result;
	}
}
```

- 결과

| 대상 | 응답 시간 (ms) |
| -- | -- |
| for | 410 |
| for 크기 반복 비교 | 413 |
| for-each | 481 |

크기를 먼저 알아온 후 `for` 문을 실행시킨 것이 가장 빨랐다.

## 반복 구문에서의 필요 없는 반복

가장 많이 실수 하는 예제 이다.

```java
public void sample(DataVO, data, String key) {
    TreeSet treeSet = (TreeSet)data.get(key);
    
    if(treeSet != null) {
        for(int i=0; i<treeSet.size(); i++) {
            DataVO data2 = (DataVO) treeSet.toArray()[i];
            // ...
        }
    }
}
```

위 소스는 `toArray()` 메서드를 반복해서 수행한다.
예를 들어, 애플리케이션이 실행 되면 **sample()** 메서드를 40번 수행되고, treeSet 객체에 256 개의 데이터가 있다면 `toArray()` 메서드는 **10,600** 번씩 호출되게 된다.

따라서 `toArray()` 메서드가 반복되지 않도록 `for` 문 앞으로 옮기는 것이 좋다.
또한 약간의 성능 튜닝을 위하여 treeSet 객체의 크기를 미리 구하여 `for` 문에 사용하는 것이 좋다.

```java
public void sample(DataVO, data, String key) {
    TreeSet treeSet = (TreeSet)data.get(key);
    
    if(treeSet != null) {
        DataVO[] data2Array = (DataVO) treeSet.toArray();
        int treeSetSize = treeSet.size();
        for(int i=0; i<treeSetSize; i++) {
            DataVO data2 = data2Array[i];
            // ...
        }
    }
}
```

# 추가

`if` 문이나 `switch-case` 문에서 조건에 만족할 때, 작업이 따로 없을 경우 자바의 JIT(Just In Time) 컴파일러는 최적화를 통해 해당 코드를 무시해 버릴 수도 있다.

```java
public void resultProcess(String result) {
    // current = result;
}
```

이런 메서드일 경우 매개변수를 넘겨주긴 하지만, 아무런 작업도 수행하지 않을 경우 무시될 수 있다.
즉, `if` 문이나 `switch-case` 문에서 값을 할당하고 매개변수로 넘겨주어도 그 값을 어디에서도 사용하지 않으면 무시된다.

# 저리

반복문은 개발할때 정말 많이 사용된다.
사소한 문제라도 성능 이슈를 생각하고 개발하는게 좋다.

물론 성능 튜닝은 응답 시간의 비중이 큰 부분부터 하는 것이 기본 주읭 기본이다.
하지만 작은 부분을 차지하는 반복 구문이 큰 성능 저하를 가져올 수도 있다는 것을 명심하자.

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