深入理解JVM之編譯優化

JDK在源碼編譯階段將源碼編譯為JVM字節碼,JVM字節碼是一種平臺無關的中間代碼方式,要由JVM在運行期間對其進行解釋并執行,這種方式稱為字節碼解釋執行方式。
對于面向對象的語言而言,最重要的是執行方法的指令,JVM有一套自己的執行方法的指令:invokestatic(調用static方法)、invokevirtual(調用對象實例的方法)、invokeinterface(調用接口的方法)、invokespecial(調用private方法和編譯源碼后生成的方法,此方法為對象實例化時的初始化方法)

字節碼是在棧中執行
線程創建時,會產生程序計數器(PC)、棧,PC存放下一條要執行的指令在方法內的偏移量。棧中存放棧幀,棧幀主要分為局部變量區、操作數棧兩部分。
局部變量區用于存放方法的局部變量和參數,操作數棧用于存放方法執行過程中產生的中間結果,棧幀中還有一些其它空間,如方法已解析的常量池引用。


圖片發自簡書App
void foo(){
    int a = 1;
    int b = 2;
    int c = (a + b) * 5;
}

編譯后字節碼:

code:
0:iconst_1 //將類型為int、值為1的常量放入操作數棧
1: istore_0 //將操作數棧中棧頂的值彈出放入局部變量區
2:iconst_2 //將類型為int、值為2的常量放入操作數棧
3:istore_1 //將操作數棧中棧頂的值彈出放入局部變量區
4:iload_0 //裝載局部變量區中第一個值到操作數棧
5:iload_1 //裝載局部變量區中第二個值到操作數棧
6:iadd //執行int類型的add指令,并將計算結果放入操作數棧
7:iconst_5 //將類型為int、值為5的常量放入操作數棧
8:imul //執行int類型的mul指令,并將計算結果放入操作數棧
9:istore_2 //將操作數棧中棧頂的值彈出并放入局部變量區
10:return //返回

編譯執行
解釋執行的效率較低,為提升代碼的執行性能,JVM提供將字節碼編譯為機器碼的支持,編譯在運行時進行,通常稱為JIT編譯器,JVM在執行過程中對執行頻率高的代碼進行編譯,對執行不頻繁的代碼則繼續采用解釋執行的方式。
編譯執行有兩種模式:client compiler(-client)和server compiler(-server)
client compiler又稱為C1,較輕量級,只做少量性能開銷比較高的優化,它占用內存少,適合桌面交互式應用,它的優化方式主要有:方法內聯,去虛擬化,冗余削除等。
1,方法內聯:在方法中需要調用其它方法,需要經歷參數傳遞、返回值傳遞及跳轉等,方法內聯即把調用到的方法的指令直接植入到當前方法中
2,去虛擬化:在裝載class之后,進行類層次的分析,如發現接口的方法只提供一個實現類,那么對于調用了此方法的代碼,也可以進行方法內聯。
3,冗余削除:在編譯時,根據運行時狀況進行代碼折疊或削除。去掉不需要的代碼指令。
Server compiler又稱為C2,較為重量級,C2采用大量傳統編譯優化技巧,占用內存多,適用于服務器端應用。
“逃逸分析”是C2進行很多優化的基礎,逃逸分析是指根據運行狀況來判斷方法中的變量是否會被外部讀取,如不會則認為此變量是逃逸的,基于逃逸分析C2在編譯時會做標量替換、棧上分配、同步削除等
1,標量替換:用標量替換聚合量,見代碼:

Point point = new Point(1,2);
System.out.println("point.x="+point.x+"; point.y="+point.y);

當point對象在后面的執行過程中未用到時,經過編譯后,代碼會變成類似下面的結構:

int x = 1;
int y = 2;
System.out.println("point.x="+x+"; point.y="+y);

這種方式的好處是,如果創建的對象并未用到其中的全部變量,則可節省一定的內存,對于代碼執行而言,由于無需去找對象的引用,也會更快一些。
2,棧上分配:如果上例中,point是逃逸的,那么C2會選擇在棧上直接創建point對象實例,而不是在JVM堆上,在棧上分配的好處一方面是快速,另方面是垃圾回收時隨著方法的結束,對象也就被回收了。
3,同步削除:指同步的對象逃逸,方法外部沒有引用到同步的對象,那就沒有同步的必要了,C2編譯時會直接去掉同步。

JVM會根據機器配置來選擇C1還是C2,當機器配置CPU達到2核且內存超過2G則選擇C2,但是32位windows機器上始終選擇C1模式,也可在啟動時通過-client或-server來強制指定。
基于這個特性,在對java代碼進行性能測試時,要注意是否實現做了足夠次數的調用,以保證測試是公平的。對于高性能的程序而言,也應考慮在程序提供給用戶訪問前,自行進行一定的調用,以保證關鍵功能的性能。

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