本文作者：金盛杰(司旭)
5 个版本的优化，性能得到了超过 10 倍的提升。
背景业务背景
支付宝卡包存放着用户的会员卡和优惠券。无论是卡券 cell，还是卡券详情，都是通过静态模板配置加上动态可变数据，最终呈现给终端用户的。
下面【图1】展现了卡券数据在 C 端用户的展现形式，【图2】表示了 C 端数据组装过程。
图1 卡券数据在 C 端展现形式 
图2 C 端数据组装过程
以【图2】为例，模板中有availableAmount和voucherName两个变量，这两个变量在动态变量数据有对应的值。用动态的值替换掉模板里面对应的这两个变量，最后拼装成“100 元红包名称”。当这个红包被使用了一次，消费了30元后，动态数据里面availableAmount的值就会变成 70。用户再次进入到红包详情页时，展现数据重新组装后就会变成“70 元红包名称”。
问题发现
最近做项目过程中，把卡券组装渲染逻辑好好的梳理了一遍，其中仔细研读了【图3】这段模板变量替换逻辑。这是一段老代码，从卡包产品诞生之日起就存在，差不多有十年的时间了。其作用就是用动态数据替换掉模板里面的变量。这段代码逻辑咋一看，并没有什么问题，就是把模板里面两个$ 之间（包含）的变量，用动态数据进行替换。考虑到这是一段极为核心又高频的调用逻辑，于是看看有没有性能优化的空间。
图3 模板变量替换代码实现
把替换逻辑厘清了之后，第一感觉就是这段代码有性能提升的空间。主要有两点：
- 每次 while 循环进行了两次 indexOf 操作
- 每次 while 循环都进行了 substring 操作
于是，就有了下面两个疑问：
- 能够减少 indexOf 和 substring 操作吗？
- 真的每次都要进行模板变量查找吗？
带着上面两个问题，逐步进行性能优化并测试。整个优化过程一共迭代了 5 版，并最终取得了性能提升超过 10 倍的效果。下面分别来介绍下不同版本的实现和性能对比。
性能优化 V1
这一版去掉了indexOf和substring操作，转而使用另一种替换方式。
之前的替换逻辑是从头到尾循环模板内容字符串，遇到 $ 之间的变量就进行替换，过程中需要不断的进行indexOf和substring操作。新的实现方式是在进行变量替换之前，通过循环模板内容字符串，利用双指针把模板里面所有变量都提取出来，再对变量集合进行循环，依次替换掉模板内容里面的变量。
图4 性能优化 V1 代码实现
性能优化 V2
静态模板配置一般情况下不会发生变更。也就意味着，同一个模板对应的变量都是固定不变的。可以将模板 id 和模板变量集合进行一对一的缓存，减少每次替换之前的变量提取。在决定使用缓存之前，要想好怎么实现缓存。有两点需要注意：
用本地缓存代替 TBase，减少大流量场景下对 TBase 的压力 怎么控制本地缓存的有效数量，并在有限的内存占用情况下最大化缓存效率 可以借助 Google Guava 库的缓存类来实现缓存逻辑，示例代码见【图5】
图5 缓存实现示例代码 
图6 性能优化 V2 代码实现
性能对比（1）
做完上面两步之后进行了性能测试，性能对比如【图7】所示。
图7 V1、V2 版性能对比
通过性能对比发现，V1 版相对于原始版有性能提升，带缓存的 V2 版相对于不带缓存的 V1 版也有性能提升。但随着流量增大，性能优化效果逐步减弱。说明 V1、V2 版耗时优化的点，在整个模板变量替换耗时中占比并不高。也同时说明，整个模板变量替换逻辑当中，还存在其他更为耗时的点。
回过头来再仔细看一遍变量替换逻辑，突然间意识到遗漏了一个”大问题“。就是这个String.replace方法，该方法有两个耗时点：
- 每次 replace 都会进行模板编译
- replace 都是创建一个新的对象进行返回
并且每次replace之后还要进行变量的重新赋值。
图8 String.replace 代码实现
性能优化 V3
在 V2 版基础上，去掉replace方法，用StringBuilder 来实现。
图9 性能优化 V3 代码实现
StringBuilder实现过程中有一点要注意。V2 版本中，提取变量返回的是一个Set集合。返回集合中出现变量的顺序和模板中变量顺序会不一致，模板中有多个相同变量的情况下，也只会替换第一个出现的变量。所以要将变量提取返回的结果换成有序可重复的List，才能保证逻辑的正确性。
性能优化 V4
V3 版优化之后，性能提升明显，证明String.replace方法才是整个模板变量替换逻辑中最为耗时的点。于是在原方法上只用StringBuilder来替换String.replace，得到 V4 版。
图10 性能优化 V4 代码实现
性能对比（2）
图11 V1、V2、V3、V4 版性能对比
通过【图11】可以明显的发现，在进行StringBuilder实现后，性能提升超过 10 倍，效果十分明显。
V4 版耗时实际上比 V3 版带缓存的还要少，说明 V3 版先提取变量再进行StringBuilder组装的过程，相对来说还是会更耗时一点。但 V4 版的代码可读性是不如 V3 版的，可以把 V3 版和 V4 版相结合，剔除掉缓存依赖，产生一个代码可读性和性能最佳的 V5 版。
性能优化 V5
先提取变量，去掉缓存依赖，用StringBuilder替换掉String.replace，增加代码可读性。
图12 V5 版代码实现 & 100 万次循环耗时对比
总结通过上面 5 个版本的性能优化，性能得到了超过 10 倍的提升。
性能由高到低的顺序是 V4 > V3 > V5 > V2 > V1 > 未被优化的原始版。其中 V3、V4、V5 版的性能显著优于 V1 和 V2 版，证明这段模板替换逻辑最为耗时的点为String.replace，V3 > V5 和 V2 > V1表明，引入缓存对性能提升还是有一定帮助的。在代码可读性方面，V4 是不如 V3 和 V5 的。
整个优化总结下来主要有两点：
1、String.replace方法涉及到模板编译和新字符串生成，比较吃资源。
2、StringBuilder代替String.replace，除了能够缩短调用耗时，在空间上也能够减少资源占用。因为StringBuilder.append相对于String.replace来说，能够减少中间大量String对象的创建和销毁，能够减少 GC 的压力，从而降低 CPU 的负载。
性能优化显而易见的好处是能够节约机器资源。如果一个有 2000 台服务器的应用，整体性能提升了 10%，理论上来说，就相当于节省了 200 台的机器。除了节省机器资源外，性能好的应用相对于性能差的应用，在应对流量突增时更不容易达到机器的性能瓶颈，在同样流量场景下进行机器扩容时，也只需要更少的机器，从而能够更快的完成扩容、应急操作。所以，性能好的应用相对于性能差的应用在稳定性方面也更胜一筹。
最后再回到本次文章的主题：是什么让一段 20 行代码的性能提升了 10 倍？
我的回答是：StringBuilder YYDS: )
是什么让一段20行代码的性能提升了10倍
