小师妹学JVM之:深入理解JIT和编译优化-你看不懂系列

目录

• 简介
• JIT编译器
• Tiered Compilation分层编译
• OSR（On-Stack Replacement）
• Deoptimization
• 常见的编译优化举例
  • Inlining内联
  • Branch Prediction分支预测
  • Loop unswitching
  • Loop unrolling展开
  • Escape analysis逃逸分析
• 总结

简介

小师妹已经学完JVM的简单部分了，接下来要进入的是JVM中比较晦涩难懂的概念，这些概念是那么的枯燥乏味，甚至还有点惹人讨厌，但是要想深入理解JVM，这些概念是必须的，我将会尽量尝试用简单的例子来解释它们，但一定会有人看不懂，没关系，这个系列本不是给所有人看的。

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JIT编译器

小师妹:F师兄，我的基础已经打牢了吗？可以进入这么复杂的内容环节了吗？

小师妹不试试怎么知道不行呢？了解点深入内容可以帮助你更好的理解之前的知识。现在我们开始吧。

上次我们在讲java程序的处理流程的时候，还记得那通用的几步吧。

小师妹：当然记得了，编写源代码，javac编译成字节码，加载到JVM中执行。

对，其实在JVM的执行引擎中，有三个部分：解释器，JIT编译器和垃圾回收器。

解释器会将前面编译生成的字节码翻译成机器语言，因为每次都要翻译，相当于比直接编译成机器码要多了一步，所以java执行起来会比较慢。

为了解决这个问题，JVM引入了JIT(Just-in-Time)编译器，将热点代码编译成为机器码。

Tiered Compilation分层编译

小师妹你知道吗？在JDK8之前，HotSpot VM又分为三种。分别是 client VM, server VM, 和 minimal VM，分别用在客户端，服务器，和嵌入式系统。

但是随着硬件技术的发展，这些硬件上面的限制都不是什么大事了。所以从JDK8之后，已经不再区分这些VM了，现在统一使用VM的实现来替代他们。

小师妹，你觉得Client VM和Server VM的本质区别在哪一部分呢？

小师妹，编译成字节码应该都是使用javac，都是同样的命令，字节码上面肯定是一样的。难点是在执行引擎上面的不同？

说的对，因为Client VM和Server VM的出现，所以在JIT中出现了两种不同的编译器，C1 for Client VM， C2 for Server VM。

因为javac的编译只能做少量的优化，其实大量的动态优化是在JIT中做的。C2相对于C1，其优化的程度更深，更加激进。

为了更好的提升编译效率，JVM在JDK7中引入了分层编译Tiered compilation的概念。

对于JIT本身来说，动态编译是需要占用用户内存空间的，有可能会造成较高的延迟。

对于Server服务器来说，因为代码要服务很多个client，所以磨刀不误砍柴工，短暂的延迟带来永久的收益，听起来是可以接受的。

Server端的JIT编译也不是立马进行的，它可能需要收集到足够多的信息之后，才进行编译。

而对于Client来说，延迟带来的性能影响就需要进行考虑了。和Server相比，它只进行了简单的机器码的编译。

为了满足不同层次的编译需求，于是引入了分层编译的概念。

大概来说分层编译可以分为三层：

1. 第一层就是禁用C1和C2编译器，这个时候没有JIT进行。
2. 第二层就是只开启C1编译器，因为C1编译器只会进行一些简单的JIT优化，所以这个可以应对常规情况。
3. 第三层就是同时开启C1和C2编译器。

在JDK7中，你可以使用下面的命令来开启分层编译：

-XX:+TieredCompilation

而在JDK8之后，恭喜你，分层编译已经是默认的选项了，不用再手动开启。

OSR（On-Stack Replacement）

小师妹：F师兄，你刚刚讲到Server的JIT不是立马就进行编译的，它会等待一定的时间来搜集所需的信息，那么代码不是要从字节码转换成机器码？

对的，这个过程就叫做OSR（On-Stack Replacement）。为什么叫OSR呢？我们知道JVM的底层实现是一个栈的虚拟机，所以这个替换实际上是一系列的Stack操作。

上图所示，m1方法从最初的解释frame变成了后面的compiled frame。

Deoptimization

这个世界是平衡的，有阴就有阳，有优化就有反优化。

小师妹：F师兄，为什么优化了之后还要反优化呢？这样对性能不是下降了吗？

通常来说是这样的，但是有些特殊的情况下面，确实是需要进行反优化的。

下面是比较常见的情况：

1. 需要调试的情况

如果代码正在进行单个步骤的调试，那么之前被编译成为机器码的代码需要反优化回来，从而能够调试。

2. 代码废弃的情况

当一个被编译过的方法，因为种种原因不可用了，这个时候就需要将其反优化。

3. 优化之前编译的代码

有可能出现之前优化过的代码可能不够完美，需要重新优化的情况，这种情况下同样也需要进行反优化。

常见的编译优化举例

除了JIT编译成机器码之外，JIT还有一下常见的代码优化方式，我们来一一介绍。

Inlining内联

举个例子：

int a = 1;
int b = 2;
int result = add(a, b);
...
public int add(int x, int y) { return x + y; }
int result = a + b; //内联替换

上面的add方法可以简单的被替换成为内联表达式。

Branch Prediction分支预测

通常来说对于条件分支，因为需要有一个if的判断条件，JVM需要在执行完毕判断条件，得到返回结果之后，才能够继续准备后面的执行代码，如果有了分支预测，那么JVM可以提前准备相应的执行代码，如果分支检查成功就直接执行，省去了代码准备的步骤。

比如下面的代码：

// make an array of random doubles 0..1
double[] bigArray = makeBigArray();
for (int i = 0; i < bigArray.length; i++)
{
 double cur = bigArray[i];
 if (cur > 0.5) { doThis();} else { doThat();}
}

Loop unswitching

如果我们在循环语句里面添加了if语句，为了提升并发的执行效率，可以将if语句从循环中提取出来：

  int i, w, x[1000], y[1000];
  for (i = 0; i < 1000; i++) {
    x[i] += y[i];
    if (w)
      y[i] = 0;
  }

可以改为下面的方式：

  int i, w, x[1000], y[1000];
  if (w) {
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
      x[i] += y[i];
      y[i] = 0;
    }
  } else {
    for (i = 0; i < 1000; i++) {
      x[i] += y[i];
    }
  }

Loop unrolling展开

在循环语句中，因为要不断的进行跳转，所以限制了执行的速度，我们可以对循环语句中的逻辑进行适当的展开：

 int x;
 for (x = 0; x < 100; x++)
 {
     delete(x);
 }

转变为：

 int x; 
 for (x = 0; x < 100; x += 5 )
 {
     delete(x);
     delete(x + 1);
     delete(x + 2);
     delete(x + 3);
     delete(x + 4);
 }

虽然循环体变长了，但是跳转次数变少了，其实是可以提升执行速度的。

Escape analysis逃逸分析

什么叫逃逸分析呢？简单点讲就是分析这个线程中的对象，有没有可能会被其他对象或者线程所访问，如果有的话，那么这个对象应该在Heap中分配，这样才能让对其他的对象可见。

如果没有其他的对象访问，那么完全可以在stack中分配这个对象，栈上分配肯定比堆上分配要快，因为不用考虑同步的问题。

我们举个例子：

  public static void main(String[] args) {
    example();
  }
  public static void example() {
    Foo foo = new Foo(); //alloc
    Bar bar = new Bar(); //alloc
    bar.setFoo(foo);
  }
}

class Foo {}

class Bar {
  private Foo foo;
  public void setFoo(Foo foo) {
    this.foo = foo;
  }
}

上面的例子中，setFoo引用了foo对象，如果bar对象是在heap中分配的话，那么引用的foo对象就逃逸了，也需要被分配在heap空间中。

但是因为bar和foo对象都只是在example方法中调用的，所以，JVM可以分析出来没有其他的对象需要引用他们，那么直接在example的方法栈中分配这两个对象即可。

逃逸分析还有一个作用就是lock coarsening。

为了在多线程环境中保证资源的有序访问，JVM引入了锁的概念，虽然锁可以保证多线程的有序执行，但是如果实在单线程环境中呢？是不是还需要一直使用锁呢？

比如下面的例子：

public String getNames() {
     Vector<String> v = new Vector<>();
     v.add("Me");
     v.add("You");
     v.add("Her");
     return v.toString();
}

Vector是一个同步对象，如果是在单线程环境中，这个同步锁是没有意义的，因此在JDK6之后，锁只在被需要的时候才会使用。

这样就能提升程序的执行效率。

总结

本文介绍了JIT的原理和一些基本的优化方式。后面我们会继续探索JIT和JVM的秘密，敬请期待。

本文作者：flydean程序那些事

本文链接：http://www.flydean.com/jvm-jit-in-detail/

本文来源：flydean的博客

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