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提升Java字符串编码解码性能的技巧

简介: 常见的字符串编码有LATIN1、UTF-8、UTF-16、GB18030,他们各有各的特点,且之间的转换比较复杂。本文将为大家介绍提升Java字符串编码解码性能的技巧。
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作者 | 温绍锦 (高铁)
来源 | 阿里开发者公众号

1 常见字符串编码

常见的字符串编码有:

  • LATIN1 只能保存ASCII字符,又称ISO-8859-1。
  • UTF-8 变长字节编码,一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。由于中文通常需要3个字节表示,中文场景UTF-8编码通常需要更多的空间,替代的方案是GBK/GB2312/GB18030。
  • UTF-16 2个字节,一个字符需要使用2个byte表示,又称UCS-2 (2-byte Universal Character Set)。根据大小端的区分,UTF-16有两种形式,UTF-16BE和UTF-16LE,缺省UTF-16指UTF-16BE。Java语言中的char是UTF-16LE编码。
  • GB18030 变长字节编码,一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。类似UTF8,中文只需要2个字符,表示中文更省字节大小,缺点是在国际上不通用。

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为了计算方便,内存中字符串通常使用等宽字符,Java语言中char和.NET中的char都是使用UTF-16。早期Windows-NT只支持UTF-16。

2 编码转换性能

UTF-16和UTF-8之间转换比较复杂,通常性能较差。

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如下是一个将UTF-16转换为UTF-8编码的实现,可以看出算法比较复杂,所以性能较差,这个操作也无法使用vector API做优化。

static int encodeUTF8(char[] utf16, int off, int len, byte[] dest, int dp) {
    int sl = off + len, last_offset = sl - 1;

    while (off < sl) {
        char c = utf16[off++];
        if (c < 0x80) {
            // Have at most seven bits
            dest[dp++] = (byte) c;
        } else if (c < 0x800) {
            // 2 dest, 11 bits
            dest[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
        } else if (c >= '\uD800' && c < '\uE000') {
            int uc;
            if (c < '\uDC00') {
                if (off > last_offset) {
                    dest[dp++] = (byte) '?';
                    return dp;
                }

                char d = utf16[off];
                if (d >= '\uDC00' && d < '\uE000') {
                    uc = (c << 10) + d + 0xfca02400;
                } else {
                    throw new RuntimeException("encodeUTF8 error", new MalformedInputException(1));
                }
            } else {
                uc = c;
            }
            dest[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18)));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f));
            off++; // 2 utf16
        } else {
            // 3 dest, 16 bits
            dest[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12)));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
        }
    }
    return dp;
}

相关代码地址[1] 。

由于Java中char是UTF-16LE编码,如果需要将char[]转换为UTF-16LE编码的byte[]时,可以使用sun.misc.Unsafe#copyMemory方法快速拷贝。比如:

static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) {
    UNSAFE.copyMemory(chars
            , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2
            , dest
            , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp
            , len * 2
    );
    dp += len * 2;
    return dp;
}

3 Java String的编码

不同版本的JDK String的实现不一样,从而导致有不同的性能表现。char是UTF-16编码,但String在JDK 9之后内部可以有LATIN1编码。

3.1. JDK 6之前的String实现

static class String {
    final char[] value;
    final int offset;
    final int count;
}

在Java 6之前,String.subString方法产生的String对象和原来String对象共用一个char[] value,这会导致subString方法返回的String的char[]被引用而无法被GC回收。于是使得很多库都会针对JDK 6及以下版本避免使用subString方法。

3.2. JDK 7/8的String实现

static class String {
    final char[] value;
}

JDK 7之后,字符串去掉了offset和count字段,value.length就是原来的count。这避免了subString引用大char[]的问题,优化也更容易,从而JDK7/8中的String操作性能比Java 6有较大提升。

3.3. JDK 9/10/11的实现

static class String {
    final byte code;
    final byte[] value;

    static final byte LATIN1 = 0;
    static final byte UTF16  = 1;
}

JDK 9之后,value类型从char[]变成byte[],增加了一个字段code,如果字符全部是ASCII字符,使用value使用LATIN编码;如果存在任何一个非ASCII字符,则用UTF16编码。这种混合编码的方式,使得英文场景占更少的内存。缺点是导致Java 9的String API性能可能不如JDK 8,特别是传入char[]构造字符串,会被做压缩为latin编码的byte[],有些场景会下降10%。

4 快速构造字符串的方法

为了实现字符串是不可变特性,构造字符串的时候,会有拷贝的过程,如果要提升构造字符串的开销,就要避免这样的拷贝。

比如如下是JDK8的String的一个构造函数的实现

public final class String {
    public String(char value[]) {
        this.value = Arrays.copyOf(value, value.length);
    }
}

在JDK8中,有一个构造函数是不做拷贝的,但这个方法不是public,需要用一个技巧实现MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射来调用,文章后面有介绍这个技巧的代码。

public final class String {
    String(char[] value, boolean share) {
        // assert share : "unshared not supported";
        this.value = value;
    }
}

快速构造字符的方法有三种:

  1. 使用MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射
  2. 使用JavaLangAccess的相关方法
  3. 使用Unsafe直接构造

这三种方法,1和2性能差不多,3比1和2略慢,但都比直接new字符串要快得多。JDK8使用JMH测试的数据如下:

Benchmark                          Mode  Cnt       Score       Error   Units
StringCreateBenchmark.invoke      thrpt    5  784869.350 ±  1936.754  ops/ms
StringCreateBenchmark.langAccess  thrpt    5  784029.186 ±  2734.300  ops/ms
StringCreateBenchmark.unsafe      thrpt    5  761176.319 ± 11914.549  ops/ms
StringCreateBenchmark.newString   thrpt    5  140883.533 ±  2217.773  ops/ms

在JDK 9之后,对全部是ASCII字符的场景,直接构造能达到更好的效果。

4.1 基于MethodHandles.Lookup & LambdaMetafactory绑定反射的快速构造字符串的方法。

相关代码地址[2]。

4.1.1 JDK8快速构造字符串

public static BiFunction< char[], Boolean, String> getStringCreatorJDK8() throws Throwable {
   Constructor< MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, int.class);
   constructor.setAccessible(true);
    MethodHandles lookup = constructor.newInstance(
          String.class
             , -1 // Lookup.TRUSTED
             );
    
    MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class);
  
    MethodHandle handle = caller.findConstructor(
                String.class, MethodType.methodType(void.class, char[].class, boolean.class)
                );

    CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory(
            caller
            , "apply"
            , MethodType.methodType(BiFunction.class)
            , handle.type().generic()
            , handle
            , handle.type()
            );

    return (BiFunction) callSite.getTarget().invokeExact();
}

4.1.2 JDK 11快速构造字符串的方法

public static ToIntFunction< String> getStringCode11() throws Throwable {
    Constructor< MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, int.class);
    constructor.setAccessible(true);
    MethodHandles.Lookup lookup = constructor.newInstance(
            String.class
            , -1 // Lookup.TRUSTED
    );

    MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class);
    MethodHandle handle = caller.findVirtual(
            String.class, "coder", MethodType.methodType(byte.class)
   );

    CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory(
            caller
            , "applyAsInt"
            , MethodType.methodType(ToIntFunction.class)
            , MethodType.methodType(int.class, Object.class)
            , handle
            , handle.type()
    );

    return (ToIntFunction< String>) callSite.getTarget().invokeExact();
}
if (JDKUtils.JVM_VERSION == 11) {
    Function< byte[], String> stringCreator = JDKUtils.getStringCreatorJDK11();

    byte[] bytes = new byte[]{'a', 'b', 'c'};
    String apply = stringCreator.apply(bytes);
    assertEquals("abc", apply);
}

4.1.3 JDK 17快速构造字符串的方法

在JDK 17中,MethodHandles.Lookup使用Reflection.registerFieldsToFilter对lookupClass和allowedModes做了保护,网上搜索到的通过修改allowedModes的办法是不可用的。

在JDK 17中,要通过配置JVM启动参数才能使用MethodHandlers。如下:

--add-opens java.base/java.lang.invoke=ALL-UNNAMED
public static BiFunction< byte[], Charset, String> getStringCreatorJDK17() throws Throwable {
    Constructor< MethodHandles.Lookup> constructor = MethodHandles.Lookup.class.getDeclaredConstructor(Class.class, Class.class, int.class);
    constructor.setAccessible(true);
    MethodHandles.Lookup lookup = constructor.newInstance(
           String.class
            , null
            , -1 // Lookup.TRUSTED
    );

    MethodHandles.Lookup caller = lookup.in(String.class);
    MethodHandle handle = caller.findStatic(
            String.class, "newStringNoRepl1", MethodType.methodType(String.class, byte[].class, Charset.class)
    );

    CallSite callSite = LambdaMetafactory.metafactory(
            caller
            , "apply"
            , MethodType.methodType(BiFunction.class)
            , handle.type().generic()
            , handle
            , handle.type()
    );
    return (BiFunction< byte[], Charset, String>) callSite.getTarget().invokeExact();
}
if (JDKUtils.JVM_VERSION == 17) {
    BiFunction< byte[], Charset, String> stringCreator = JDKUtils.getStringCreatorJDK17();

    byte[] bytes = new byte[]{'a', 'b', 'c'};
    String apply = stringCreator.apply(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
    assertEquals("abc", apply);
}

4.2 基于JavaLangAccess快速构造

通过SharedSecrets提供的JavaLangAccess,也可以不拷贝构造字符串,但是这个比较麻烦,JDK 8/11/17的API都不一样,对一套代码兼容不同的JDK版本不方便,不建议使用。

JavaLangAccess javaLangAccess = SharedSecrets.getJavaLangAccess();
javaLangAccess.newStringNoRepl(b, StandardCharsets.US_ASCII);

4.3 基于Unsafe实现快速构造字符串

public static final Unsafe UNSAFE;
static {
    Unsafe unsafe = null;
    try {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        unsafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
    } catch (Throwable ignored) {}
    UNSAFE = unsafe;
}

////////////////////////////////////////////

Object str = UNSAFE.allocateInstance(String.class);
UNSAFE.putObject(str, valueOffset, chars);

注意:在JDK 9之后,实现是不同,比如:

Object str = UNSAFE.allocateInstance(String.class);
UNSAFE.putByte(str, coderOffset, (byte) 0);
UNSAFE.putObject(str, valueOffset, (byte[]) bytes);

4.4 快速构建字符串的技巧应用:

如下的方法格式化日期为字符串,性能就会非常好。

public String formatYYYYMMDD(Calendar calendar) throws Throwable {
    int year = calendar.get(Calendar.YEAR);
    int month = calendar.get(Calendar.MONTH) + 1;
    int dayOfMonth = calendar.get(Calendar.DAY_OF_MONTH);

    
    byte y0 = (byte) (year / 1000 + '0');
    byte y1 = (byte) ((year / 100) % 10 + '0');
    byte y2 = (byte) ((year / 10) % 10 + '0');
    byte y3 = (byte) (year % 10 + '0');
    byte m0 = (byte) (month / 10 + '0');
    byte m1 = (byte) (month % 10 + '0');
    byte d0 = (byte) (dayOfMonth / 10 + '0');
    byte d1 = (byte) (dayOfMonth % 10 + '0');

    if (JDKUtils.JVM_VERSION >= 9) {
        byte[] bytes = new byte[] {y0, y1, y2, y3, m0, m1, d0, d1};

        if (JDKUtils.JVM_VERSION == 17) {
            return JDKUtils.getStringCreatorJDK17().apply(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
        }

        if (JDKUtils.JVM_VERSION <= 11) {
            return JDKUtils.getStringCreatorJDK11().apply(bytes);
        }

        return new String(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
    }

    char[] chars = new char[]{
            (char) y0, 
            (char) y1, 
            (char) y2, 
            (char) y3, 
            (char) m0,
            (char) m1, 
            (char) d0, 
            (char) d1
    };

    if (JDKUtils.JVM_VERSION == 8) {
        return JDKUtils.getStringCreatorJDK8().apply(chars, true);
    }

    return new String(chars);
}

5 快速遍历字符串的办法

无论JDK什么版本,String.charAt都是一个较大的开销,JIT的优化效果并不好,无法消除参数index范围检测的开销,不如直接操作String里面的value数组。

public final class String {
    private final char value[];
    
    public char charAt(int index) {
        if ((index < 0) || (index >= value.length)) {
            throw new StringIndexOutOfBoundsException(index);
        }
        return value[index];
    }
}

在JDK 9之后的版本,charAt开销更大

public final class String {
    private final byte[] value;
    private final byte coder;
    
    public char charAt(int index) {
        if (isLatin1()) {
            return StringLatin1.charAt(value, index);
        } else {
            return StringUTF16.charAt(value, index);
        }
    }
}

5.1 获取String.value的方法

获取String.value的方法有如下:

  1. 使用Field反射
  2. 使用Unsafe

Unsafe和Field反射在JDK 8 JMH的比较数据如下:

Benchmark                         Mode  Cnt        Score       Error   Units
StringGetValueBenchmark.reflect  thrpt    5   438374.685 ±  1032.028  ops/ms
StringGetValueBenchmark.unsafe   thrpt    5  1302654.150 ± 59169.706  ops/ms

5.1.1 使用反射获取String.value

static Field valueField;
static {
    try {
        valueField = String.class.getDeclaredField("value");
        valueField.setAccessible(true);
    } catch (NoSuchFieldException ignored) {}
}

////////////////////////////////////////////

char[] chars = (char[]) valueField.get(str);

5.1.2 使用Unsafe获取String.value

static long valueFieldOffset;
static {
    try {
        Field valueField = String.class.getDeclaredField("value");
        valueFieldOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(valueField);
    } catch (NoSuchFieldException ignored) {}
}

////////////////////////////////////////////

char[] chars = (char[]) UNSAFE.getObject(str, valueFieldOffset);
static long valueFieldOffset;
static long coderFieldOffset;
static {
    try {
        Field valueField = String.class.getDeclaredField("value");
        valueFieldOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(valueField);
        
        Field coderField = String.class.getDeclaredField("coder");
        coderFieldOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(coderField);
        
    } catch (NoSuchFieldException ignored) {}
}

////////////////////////////////////////////

byte coder = UNSAFE.getObject(str, coderFieldOffset);
byte[] bytes = (byte[]) UNSAFE.getObject(str, valueFieldOffset);

6 更快的encodeUTF8方法

当能直接获取到String.value时,就可以直接对其做encodeUTF8操作,会比String.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)性能好很多。

6.1 JDK8高性能encodeUTF8的方法

public static int encodeUTF8(char[] src, int offset, int len, byte[] dst, int dp) {
    int sl = offset + len;
    int dlASCII = dp + Math.min(len, dst.length);

    // ASCII only optimized loop
    while (dp < dlASCII && src[offset] < '\u0080') {
        dst[dp++] = (byte) src[offset++];
    }

    while (offset < sl) {
        char c = src[offset++];
        if (c < 0x80) {
            // Have at most seven bits
            dst[dp++] = (byte) c;
        } else if (c < 0x800) {
            // 2 bytes, 11 bits
            dst[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6));
            dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
        } else if (c >= '\uD800' && c < ('\uDFFF' + 1)) { //Character.isSurrogate(c) but 1.7
            final int uc;
            int ip = offset - 1;
            if (c >= '\uD800' && c < ('\uDBFF' + 1)) { // Character.isHighSurrogate(c)
                if (sl - ip < 2) {
                    uc = -1;
                } else {
                    char d = src[ip + 1];
                    // d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1)
                    if (d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(d)
                        uc = ((c << 10) + d) + (0x010000 - ('\uD800' << 10) - '\uDC00'); // Character.toCodePoint(c, d)
                    } else {
                        dst[dp++] = (byte) '?';
                        continue;
                    }
                }
            } else {
                //
                if (c >= '\uDC00' && c < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(c)
                    dst[dp++] = (byte) '?';
                    continue;
                } else {
                    uc = c;
                }
            }

            if (uc < 0) {
                dst[dp++] = (byte) '?';
            } else {
                dst[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18)));
                dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f));
                dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f));
                dst[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f));
                offset++; // 2 chars
            }
        } else {
            // 3 bytes, 16 bits
            dst[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12)));
            dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f));
            dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
        }
    }
    return dp;
}

使用encodeUTF8方法举例

char[] chars = UNSAFE.getObject(str, valueFieldOffset);
// ensureCapacity(chars.length * 3)
byte[] bytes = ...; // 
int bytesLength = IOUtils.encodeUTF8(chars, 0, chars.length, bytes, bytesOffset);

这样encodeUTF8操作,不会有多余的arrayCopy操作,性能会得到提升。

6.1.1 性能测试比较

测试代码

public class EncodeUTF8Benchmark {
    static String STR = "01234567890ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWZYZabcdefghijklmnopqrstuvwzyz一二三四五六七八九十";
    static byte[] out;

    static long valueFieldOffset;

    static {
        out = new byte[STR.length() * 3];
        try {
            Field valueField = String.class.getDeclaredField("value");
            valueFieldOffset = UnsafeUtils.UNSAFE.objectFieldOffset(valueField);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    @Benchmark
    public void unsafeEncodeUTF8() throws Exception {
        char[] chars = (char[]) UnsafeUtils.UNSAFE.getObject(STR, valueFieldOffset);
        int len = IOUtils.encodeUTF8(chars, 0, chars.length, out, 0);
    }

    @Benchmark
    public void getBytesUTF8() throws Exception {
        byte[] bytes = STR.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
        System.arraycopy(bytes, 0, out, 0, bytes.length);
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options options = new OptionsBuilder()
                .include(EncodeUTF8Benchmark.class.getName())
                .mode(Mode.Throughput)
                .timeUnit(TimeUnit.MILLISECONDS)
                .forks(1)
                .build();
        new Runner(options).run();
    }
}

测试结果

EncodeUTF8Benchmark.getBytesUTF8      thrpt    5  20690.960 ± 5431.442  ops/ms
EncodeUTF8Benchmark.unsafeEncodeUTF8  thrpt    5  34508.606 ±   55.510  ops/ms

从结果来看,通过unsafe + 直接调用encodeUTF8方法, 编码的所需要开销是newStringUTF8的58%。

6.2 JDK9/11/17高性能encodeUTF8的方法

public static int encodeUTF8(byte[] src, int offset, int len, byte[] dst, int dp) {
    int sl = offset + len;
    while (offset < sl) {
        byte b0 = src[offset++];
        byte b1 = src[offset++];

        if (b1 == 0 && b0 >= 0) {
            dst[dp++] = b0;
        } else {
            char c = (char)(((b0 & 0xff) << 0) | ((b1 & 0xff) << 8));
            if (c < 0x800) {
                // 2 bytes, 11 bits
                dst[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6));
                dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
            } else if (c >= '\uD800' && c < ('\uDFFF' + 1)) { //Character.isSurrogate(c) but 1.7
                final int uc;
                int ip = offset - 1;
                if (c >= '\uD800' && c < ('\uDBFF' + 1)) { // Character.isHighSurrogate(c)
                    if (sl - ip < 2) {
                        uc = -1;
                    } else {
                        b0 = src[ip + 1];
                        b1 = src[ip + 2];
                        char d = (char) (((b0 & 0xff) << 0) | ((b1 & 0xff) << 8));
                        // d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1)
                        if (d >= '\uDC00' && d < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(d)
                            uc = ((c << 10) + d) + (0x010000 - ('\uD800' << 10) - '\uDC00'); // Character.toCodePoint(c, d)
                        } else {
                            return -1;
                        }
                    }
                } else {
                    //
                    if (c >= '\uDC00' && c < ('\uDFFF' + 1)) { // Character.isLowSurrogate(c)
                        return -1;
                    } else {
                        uc = c;
                    }
                }

                if (uc < 0) {
                    dst[dp++] = (byte) '?';
                } else {
                    dst[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18)));
                    dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f));
                    dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f));
                    dst[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f));
                    offset++; // 2 chars
                }
            } else {
                // 3 bytes, 16 bits
                dst[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12)));
                dst[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f));
                dst[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
            }
        }
    }
    return dp;
}

使用encodeUTF8方法举例

byte coder = UNSAFE.getObject(str, coderFieldOffset);
byte[] value = UNSAFE.getObject(str, coderFieldOffset);

if (coder == 0) {
    // ascii arraycopy
} else {
    // ensureCapacity(chars.length * 3)
    byte[] bytes = ...; // 
    int bytesLength = IOUtils.encodeUTF8(value, 0, value.length, bytes, bytesOffset);
}

这样encodeUTF8操作,不会有多余的arrayCopy操作,性能会得到提升。

7 重要提醒

上面这些技巧都不是给新手使用的,使用不当会容易导致BUG,如果没彻底搞懂,请不要使用!

参考链接:

[1]https://github.com/alibaba/fastjson2/blob/2.0.3/core/src/main/java/com/alibaba/fastjson2/util/IOUtils.java

[2]https://github.com/alibaba/fastjson2/blob/2.0.3/core/src/main/java/com/alibaba/fastjson2/util/JDKUtils.java


大数据学习-数学基础及应用

本课程主要介绍大数据中的数学基础:

一、向量、矩阵介绍 ;

二、向量在游戏引擎中的应用;

三、矩阵奇异值分解及其应用

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