摘要：被多次執(zhí)行的循環(huán)體。數(shù)組范圍檢查消除。這種安全檢查策略可以避免溢出。不過，虛擬機(jī)還是挺聰明的，它會(huì)根據(jù)運(yùn)行期收集到的信息來自動(dòng)選擇最優(yōu)方案。

首先我們先來了解一下運(yùn)行在虛擬機(jī)之上的解釋器與JIT編譯器。

當(dāng)我們的虛擬機(jī)在運(yùn)行一個(gè)java程序的時(shí)候，它可以采用兩種方式來運(yùn)行這個(gè)java程序：

采用解釋器的形式，也就是說，在運(yùn)行.class運(yùn)行的時(shí)候，解釋器一邊把.class文件翻譯成本地機(jī)器碼，一邊執(zhí)行。顯然這種一邊解釋翻譯一邊執(zhí)行發(fā)方式，可以使我們立即啟動(dòng)和執(zhí)行程序，省去編譯的時(shí)間。不過由于需要一遍解釋翻譯，會(huì)讓程序的執(zhí)行速度比較慢。

采用JIT編譯器的方式：注意，JIT編譯器是把.class文件翻譯成本地機(jī)器碼，而javac編譯器是把.java源文件編譯成.class文件。如果采用JIT編譯器的方式則是在啟動(dòng)運(yùn)行一個(gè)程序的時(shí)候，先把.class文件全部翻譯成本地機(jī)器碼，然后再來執(zhí)行，顯然，這種方式在執(zhí)行的時(shí)候由于不用對.clasa文件進(jìn)行翻譯，所以執(zhí)行的速度會(huì)比較快。當(dāng)然，代價(jià)就是我們需要花銷一定的時(shí)間來把字節(jié)碼翻譯成本地機(jī)器碼。這樣，程序在啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)有更多的延遲。

這兩種方式可以說是各有優(yōu)勢，虛擬機(jī)(特指HotSpot虛擬機(jī))在執(zhí)行的時(shí)候，一般會(huì)采用兩種方式結(jié)合的策略。

也就是說，在程序執(zhí)行的時(shí)候，有些代碼采用解釋器的方式，有些代碼采用編譯器，稱之為即時(shí)編譯。一般我們會(huì)對熱點(diǎn)代碼采用編譯器的方式。

上面已經(jīng)說了，運(yùn)行過程中，如果遇到熱點(diǎn)代碼就會(huì)觸發(fā)對該代碼進(jìn)行編譯，編譯成本地機(jī)器碼。

什么是熱點(diǎn)代碼？

熱點(diǎn)代碼主要有一下兩類：

被多次調(diào)用的方法。

被多次執(zhí)行的循環(huán)體。

不過這里需要注意的是，由于循環(huán)體是存在方法之中的，盡管編譯動(dòng)作是由循環(huán)體觸發(fā)的，但編譯器仍然會(huì)以這個(gè)方法來作為編譯的對象。

判斷一段代碼是不是熱點(diǎn)代碼，是不是需要觸發(fā)即時(shí)編譯，這樣的行為我們稱之為熱點(diǎn)探測。熱點(diǎn)探測判定有以下兩種方式：

基于采樣的熱點(diǎn)探測：這種方式虛擬機(jī)會(huì)周期性著檢查各個(gè)線程的棧頂，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，那么這個(gè)方法就是熱點(diǎn)方法。可能有人會(huì)問，所謂經(jīng)常，那什么樣才算經(jīng)常，對于這個(gè)我只能告訴你，這個(gè)取決于你自己的設(shè)置，如果自己沒有進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置的話，就采用虛擬機(jī)的默認(rèn)設(shè)置。

基于計(jì)數(shù)器的熱點(diǎn)探測：這種方法我們會(huì)為每個(gè)方法設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)方法被調(diào)用的次數(shù)，如果到達(dá)一定的次數(shù)，我們就把它當(dāng)作是熱點(diǎn)方法。

兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：

顯然第一種方法在實(shí)現(xiàn)上是比較簡單、高效的，但是缺點(diǎn)也很明顯，精確度不高，容易受到線程阻塞等別的外界因素的干擾。

第二種方式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果會(huì)很精確，但需要為每個(gè)方法建立并維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器。實(shí)現(xiàn)上會(huì)相對復(fù)雜一點(diǎn)并且開銷也會(huì)大點(diǎn)。

不過，這里需要指出的是，我們的HotSpot虛擬機(jī)采用的是基于計(jì)數(shù)器的方式。

說明：虛擬機(jī)在執(zhí)行方法的時(shí)候，會(huì)先判斷該方法是否存在已經(jīng)編譯好的版本，如果存在，則執(zhí)行編譯好的本地機(jī)器碼，否則，采用一邊解釋一邊編譯的方式。

先看一段代碼：

int a = 1;
if(false){
    System.out.println("無用代碼");
}
int b = 2;

對于這段代碼，我們都知道是if語句體里面的代碼是一定不可能會(huì)被執(zhí)行到的，也就是說，這實(shí)際上是一段一點(diǎn)用處也沒有的代碼，在執(zhí)行時(shí)只能浪費(fèi)判斷時(shí)間。

實(shí)際上，對于我們書寫的代碼，編譯器在編譯的時(shí)候是會(huì)進(jìn)行優(yōu)化的。對于上面的代碼，編譯優(yōu)化之后會(huì)變成這樣：

int a = 1;
int b = 2;

那段無用的代碼會(huì)被消除掉。

我們剛才已經(jīng)說了，對于有些被多次調(diào)用的方法或者循環(huán)體，虛擬機(jī)會(huì)先把他們編譯成本地機(jī)器碼。由于這些熱點(diǎn)代碼都是一些會(huì)被多次重復(fù)執(zhí)行的代碼，為了使得編譯好的代碼更加完美，運(yùn)行的更快。編譯器做了很多的編譯優(yōu)化策略，例如上面的無用代碼消除就是其中的一種。

下面我們來講講大概都有那些優(yōu)化策略：

大概預(yù)覽一波：

公共子表達(dá)式消除。

數(shù)組范圍檢查消除。

方法內(nèi)聯(lián)。

逃逸分析。

(1).公共子表達(dá)式消除

含義：如果一個(gè)表達(dá)式 E 已經(jīng)計(jì)算過了，并且從先前的計(jì)算到現(xiàn)在 E 中的所有變量的值都沒有發(fā)生變化，那個(gè) E 的這次出現(xiàn)就成為了公共子表達(dá)式。對于這樣的表示式，沒有必要對它再次進(jìn)行計(jì)算了，直接沿用之前的結(jié)果就可以了。

我們來舉個(gè)例子。例如

int d = (c * b) * 10 + a + (a + b * c);

這段代碼到了即時(shí)編譯器的手里，它會(huì)進(jìn)行如下優(yōu)化：

表達(dá)式中有兩個(gè) b * c的表達(dá)式，并且在計(jì)算期間b與c的值并不會(huì)變。所以這條表達(dá)式可能會(huì)被視為：

int d = E * 10 + a+ (a + E);

接著繼續(xù)優(yōu)化成

int d = E * 11 + a + a;

接著

int d = E * 11 + 2a;

這樣，代碼在執(zhí)行的時(shí)候，就會(huì)節(jié)省了一些時(shí)間了。

(2).數(shù)組范圍檢查消除

我們知道，java是一門動(dòng)態(tài)安全的語言，對數(shù)組的訪問不像c/c++那樣，可以采用指針指向一塊可能不存在的區(qū)域。例如假如有一個(gè)數(shù)組arr[]，在java語言中訪問數(shù)組arr[i]的時(shí)候，是會(huì)先進(jìn)行上下界范圍檢查的，即先檢查i是否滿足i >= 0 && i < arr.length這個(gè)條件。如果不滿足則會(huì)拋出相應(yīng)的異常。這種安全檢查策略可以避免溢出。但每次數(shù)組訪問都會(huì)進(jìn)行這樣一次檢查無疑在速度性能上造成一定的影響。

實(shí)際上，對于這樣一種情況，編譯器也是可以幫助我們做出相應(yīng)的優(yōu)化的。例如對于數(shù)組的下標(biāo)是一個(gè)常量的，如arr[2]，只要在編譯期根據(jù)數(shù)據(jù)流分析來確定arr.length的值，并判斷下標(biāo)‘2’并沒有越界，這樣在執(zhí)行的時(shí)候就無需在判斷了。

更常見的情況是數(shù)組訪問發(fā)生在循環(huán)體中，并且使用循環(huán)變量來進(jìn)行數(shù)組的訪問，對于這樣的情況，只要編譯器通過數(shù)據(jù)流就可以判斷循環(huán)變量的取值范圍是否在[0, arr.length)之內(nèi)，如果是，那么整個(gè)循環(huán)中就可以節(jié)省很多次數(shù)組邊界檢測判斷的操勞了。

對于這些安全檢查所消耗的時(shí)間，實(shí)際上，我們還可以采用另外一種策略--隱式異常處理。例如當(dāng)我們在訪問一個(gè)對象arr的屬性arr.value的時(shí)候，沒有優(yōu)化之前虛擬機(jī)是這樣處理的：

if(arr != null){
    return arr.value;
}else{
    throw new NollPointException();
}

采用優(yōu)化策略之后編程這樣子：

try{
    return arr.value;
}catch(segment_fault){
    uncommon_trap();
}

就是說，虛擬機(jī)會(huì)注冊一個(gè)Segment Fault信號的異常處理器(uncommon_trap())，這樣當(dāng)arr不為空的時(shí)候，對value的訪問可以省去對arr的判斷。代價(jià)就是當(dāng)arr為空時(shí)，必須轉(zhuǎn)入到異常處理器中恢復(fù)并拋出NullPointException異常，這個(gè)過程會(huì)從用戶態(tài)轉(zhuǎn)到內(nèi)核態(tài)中處理，結(jié)束后在回到用戶態(tài)，速度遠(yuǎn)比一次判斷空檢查慢。當(dāng)arr極少為null的時(shí)候，這樣做是值得的，但假如arr經(jīng)常為null時(shí)，那么會(huì)得不償失。

不過，虛擬機(jī)還是挺聰明的，它會(huì)根據(jù)運(yùn)行期收集到的信息來自動(dòng)選擇最優(yōu)方案。

(3).方法內(nèi)聯(lián)

先看一段代碼

public static void f(Object obj){
    if)(obj != null){
        System.out.println("do something");
    }
}

public static void test(String[] args){
    Object obj = null;
    f(obj);
}

對于這段代碼，如果把兩個(gè)方法結(jié)合在一起看，我們可以發(fā)現(xiàn)test()方法里面都是一些無用的代碼。因?yàn)閒(obj)這個(gè)方法的調(diào)用，沒啥卵用。但是如果不做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化，后續(xù)盡管進(jìn)行了無用代碼的消除，也是無法發(fā)現(xiàn)任何無用代碼的，因?yàn)槿绻裦(Object obj)和test(String[] args)兩個(gè)發(fā)放分開看的話，我們就無法得只f(obj)是否有用了。

內(nèi)聯(lián)優(yōu)化后的代碼可以是這樣：

public static void f(Object obj){
    if)(obj != null){
        System.out.println("do something");
    }
}

public static void test(String[] args){
    Object obj = null;
    //該方法直接不執(zhí)行了
}

(4).逃逸分析

逃逸分析是目前Java虛擬機(jī)比較前沿的優(yōu)化技術(shù)，它并非是直接優(yōu)化代碼，而是為其他優(yōu)化手段提供依據(jù)發(fā)分析技術(shù)。

逃逸分析主要是對對象動(dòng)態(tài)作用域進(jìn)行分析：當(dāng)一個(gè)對象在某個(gè)方法被定義后，它有可能被外部的其他方法所引用，例如作為參數(shù)傳遞給其他方法，稱之為方法逃逸，也有可能被外部線程訪問到，例如類變量，稱之為線程逃逸。

假如我們可以證明一個(gè)對象并不會(huì)發(fā)生逃逸的話，我們就可以通過一些方式對這個(gè)變量進(jìn)行一些高效的優(yōu)化了。如下所示：

1).棧上分配

我們都知道一個(gè)對象創(chuàng)建之后是放在堆上的，這個(gè)對象可以被其他線程所共享，并且我們知道在堆上的對象如果不再使用時(shí)，虛擬機(jī)的垃圾收集系統(tǒng)就會(huì)對它進(jìn)行帥選并回收。但無論是回收還是帥選，都是需要花費(fèi)時(shí)間的。

但是假如我們知道這個(gè)對象不會(huì)逃逸的話，我們就可以直接在棧上對這個(gè)對象進(jìn)行內(nèi)存分配了，這樣，這個(gè)對象所占用的內(nèi)存空間就可以隨進(jìn)棧和出棧而自動(dòng)被銷毀了。這樣，垃圾收集系統(tǒng)就可以省了很多帥選、銷毀的時(shí)間了。

2).同步消除

線程同步本身是一個(gè)相對耗時(shí)的過程，如果我們能判斷這個(gè)變量不會(huì)逃出線程的話，那么我們就可以對這個(gè)變量的同步措施進(jìn)行消除了。

3).標(biāo)量替換

什么是標(biāo)量？

當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)無法分解成更小的時(shí)候，我們稱之為變量，例如像int,long,char等基本數(shù)據(jù)類型。相對地，如果一個(gè)變量可以分解成更小的，我們稱之為聚合量，例如Java中的對象。

假如這個(gè)對象不會(huì)發(fā)生逃逸。

我們可以根據(jù)程序訪問的情況，如果一個(gè)方法只是用到一個(gè)對象里面的若干個(gè)屬性，我們在真正執(zhí)行這個(gè)方法的時(shí)候，我們可以不創(chuàng)建這個(gè)對象，而是直接創(chuàng)建它那幾個(gè)被使用到的變量來代替。這樣，不僅可以節(jié)省內(nèi)存以及時(shí)間，而且這些變量可以隨出棧入棧而銷毀。

不過，對于編譯器優(yōu)化的技術(shù)還有很多，上面這幾種算是比較典型的。

本次講解到這里。

完

參考書籍：深入Java虛擬機(jī)

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