淺談「++i」與「i++」

Programing Language：Java Basics

Jul 22, 2020

概要

這標題是不是喚醒了很久很久以前初學程式時的記憶？記得當時的老師是怎樣說的嗎？我們直接看程式碼片段，如下：

Code Fragment A:static void printIPlus() {
    int i = 0;
    System.out.print(i++);
    System.out.println(i);
}

以及：

Code Fragment B:static void printPlusI() {
    int i = 0;
    System.out.print(++i);
    System.out.println(i);
}

事實上，不論是「i++」或「++i」，其執行後的結果都是讓「i 值加 1」；所以其差異並不在於結果，而是過程。

仔細觀察上述兩個程式碼片段，其差異僅在「++」運算子擺放的位置；在分別執行後，我們可以得知「Code Fragment A」的打印結果是「01」，而「Code Fragment B」的打印結果則是「11」，兩者不同。

然而稍微有點程式基礎的人都會知道，這是合情合理的。因為「i++」代表著後綴運算，所以「i」會先執行「當前動作」，然後再將「i」值進行加 1 的動作，執行結果理所當然是「01」；反觀「++i」，它則是先將「i」值加 1 後再進行「當前動作」。

記得當時老師並沒有講為什麼？反正我也不在意，背起來就是了，當時我的學習是囫圇吞棗的；直到某次，我遇見了這樣的「For Loop」，如下：

for (int i = 0; i <= Byte.MAX_VALUE; ++i) {
    // code here...
}

當時的某位職場前輩跟我說，因為「++i」比「i++」來得更有效率，有這種事情？

正文

時戳驗證

想當然耳，身為理科生就該拿出實是求證的態度，於是我撰寫了下列一段程式碼來驗證，如下：

然後，一執行，程式碼就會告訴我們一件事情，就是「兩者執行效率並沒有差別」，囧了。

位元碼

秉持著打破沙鍋的精神，我們換個方式，我們從「位元碼」的角度去探討。

我們先來看一段程式碼：

Code Fragment C:static void testIPlus() {
    int i = 0;
    i++;
}static void testPlusI() {
    int i = 0;
    ++i;
}

接著我們將「Code Fragment C」進行編譯，然後我們去找到它的「位元碼」，並透過「javap」的指令去解析它，圖如下：

結果如下圖：

是不是有種砂鍋破了的感覺？剛才我們是以「時間差」來做判斷，我們還能推說是因為現在電腦的效能太好，所以導致差異不顯著。

但是現在卻是赤裸裸的說：「沒錯，『i++』與『++i』所編譯出的位元碼是一模樣的。」

難道是前輩說錯了嗎？別急，且聽筆者娓娓道來。

編譯優化

就某種程度來說，前輩的說法是正確的。

理由是「i++」在處理上，會先保存當前「i」值為了稍後作使用，而這樣的行為導致它比「++i」耗費更多的記憶體資源。

但這是在「i++」與「++i」確實有行為上的差異時。

當「i++」跟「++i」是有本質上的差異的；兩者在不同的情況下，會有不同的編譯結果，如下：

Code Fragment D:static void testIPlus2() {
    int i = 0;
    System.out.println(i++);
}

static void printPlusI2() {
    int i = 0;
    System.out.println(++i);
}

同樣地，我們藉由「javap」的指令去分析：

仔細注意，兩者的順序不同了；在上方的部分，是先打印，在加一，下方則是相反。

這樣的結果並不令人意外，因為它符合我們的預期。

那為什麼在我們上述的實驗，「Code Fragment C」會編譯出一樣的結果呢？事實上，這一切的原因就藏在編譯器中。

其實編譯器是個「溫暖」的存在，很多時候，我們都以為它只是個「翻譯」的工具，但實際上，除了「翻譯」之外，它一直都在我們的背後默默地做事情，像是惡名昭彰的「編譯器蜜糖」就是其中之一，它讓我們可以更簡潔地去撰寫程式碼；但今天的主角不是它，而是「編譯器」的另外一個重要地功能「編譯優化」。

實際上，「編譯」是門非常高深的學問，甚至它涉及到「JVM」的運作過程，因此，我並沒有打算在這篇文章中深入地去探討它；但關於「JVM」的概念建立，我會建議可以去閱讀下列幾篇文章：

「Java虚拟机JVM性能优化（一）:JVM知识总结」

「Java虚拟机JVM性能优化（二）:编译器」

「Java虚拟机JVM性能优化（三）:垃圾收集详解」

簡單地說，「Java」的編譯可以分為「靜態編譯」和「動態編譯」，前者如「javac」，指的是將「編譯器從『原始碼 (.java)』編譯成『位元碼(.class)』的過程。」，而後者，大名鼎鼎的「JIT Compiler」就是其中之一。

接著回到我們的問題，就如我剛才說過了，是因為「編譯器」的關係才導致「i++」和「++i」在某些時候會產生出相同的編譯結果。

實際上，編譯器會根據原始碼的前後狀況自動「編譯優化」。比較直白的說法是，當我們下達「javac」指令後，編譯器並不是直接將我們的原始碼直接翻譯成位元碼，而是會加以調整後再產生「優化後的位元碼」，以「i++」為例，它就會去判斷該處是否有使用到「後綴」的特性，若非必要，編譯結果就會自動省去了這些部分「命令碼」，因此才會在某些時候使得「i++」和「++i」的編譯結果是相同的。

最後，在我撰寫這篇文章的時候，其實參考了不少相關資料，而其中有一篇文章：「追求真理：++i为何比i++执行效率高？」，它是從 C/C++ 語言的角度去探討，其過程是類似的，而差異在於 C/C++ 的編譯過程不需要先編譯成「ByteCode」，而是直接編譯成系統可讀的執行檔，但也因此，我覺得更能看清楚不同編譯器對於程式碼編譯的影響。

完整程式碼連結：My GitHub

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編譯優化

Written by RICK