JVM進(jìn)階教程之字段訪問優(yōu)化淺析

前言

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在實(shí)際中，Java程序中的對(duì)象或許 本身就是逃逸 的，或許因?yàn)?方法內(nèi)聯(lián)不夠徹底 而被即時(shí)編譯器 當(dāng)成是逃逸 的，這兩種情況都將

導(dǎo)致即時(shí)編譯器 無法進(jìn)行標(biāo)量替換 ，這時(shí)，針對(duì)對(duì)象字段訪問的優(yōu)化顯得更為重要。

static int bar(Foo o, int x) {
 o.a = x;
 return o.a;
}
  1. 對(duì)象o是傳入?yún)?shù)， 不屬于逃逸分析的范圍 （JVM中的逃逸分析針對(duì)的是 新建對(duì)象 ）
  2. 該方法會(huì)將所傳入的int型參數(shù)x的值存儲(chǔ)至實(shí)例字段Foo.a中，然后再讀取并返回同一字段的值
  3. 這段代碼涉及 兩次 內(nèi)存訪問操作：存儲(chǔ)和讀取實(shí)例字段Foo.a
  4. 代碼可以手工優(yōu)化成如下
static int bar(Foo o, int x) {
 o.a = x;
 return x;
}

即時(shí)編譯器也能作出類似的 自動(dòng)優(yōu)化

字段讀取優(yōu)化

即時(shí)編譯器會(huì)優(yōu)化 實(shí)例字段 和 靜態(tài)字段 的訪問，以 減少總的內(nèi)存訪問次數(shù)

即時(shí)編譯器將 沿著控制流 ，緩存各個(gè)字段 存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn) 將要存儲(chǔ)的值，或者字段 讀取節(jié)點(diǎn) 所得到的值

  • 當(dāng)即時(shí)編譯器 遇到對(duì)同一字段的讀取節(jié)點(diǎn) 時(shí)，如果緩存值還沒有失效，那么將讀取節(jié)點(diǎn) 替換 為該緩存值
  • 當(dāng)即時(shí)編譯器 遇到對(duì)同一字段的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn) 時(shí)，會(huì) 更新 所緩存的值
    • 當(dāng)即時(shí)編譯器遇到 可能更新 字段的節(jié)點(diǎn)時(shí)，它會(huì)采取 保守 的策略， 舍棄所有的緩存值
    • 方法調(diào)用節(jié)點(diǎn) ：在即時(shí)編譯器看來，方法調(diào)用會(huì)執(zhí)行 未知代碼
    • 內(nèi)存屏障節(jié)點(diǎn) ：其他線程可能異步更新了字段

樣例1

static int bar(Foo o, int x) {
 int y = o.a + x;
 return o.a + y;
}

實(shí)例字段Foo.a被讀取兩次，即時(shí)編譯器會(huì)將第一次讀取的值緩存起來，并且 替換 第二次的字段讀取操作，以 節(jié)省 一次內(nèi)存訪問

static int bar(Foo o, int x) {
 int t = o.a;
 int y = t + x;
 return t + y;
}

樣例2

static int bar(Foo o, int x) {
 o.a = 1;
 if (o.a >= 0)
  return x;
 else
  return -x;
}

字段讀取節(jié)點(diǎn)被替換成一個(gè) 常量 ，進(jìn)一步觸發(fā)更多的優(yōu)化

static int bar(Foo o, int x) {
 o.a = 1;
 return x;
}

樣例3

class Foo {
 boolean a;
 void bar() {
  a = true;
  while (a) {}
 }
 void whatever() { a = false; }
}

即時(shí)編譯器會(huì)將while循環(huán)中讀取實(shí)例字段a的操作 直接替換為常量true

void bar() {
 a = true;
 while (true) {}
}
// 生成的機(jī)器碼將陷入這一死循環(huán)中
0x066b: mov r11,QWORD PTR [r15+0x70] // 安全點(diǎn)測(cè)試
0x066f: test DWORD PTR [r11],eax  // 安全點(diǎn)測(cè)試
0x0672: jmp 0x066b     // while (true)

1、可以通過 volatile 關(guān)鍵字標(biāo)記實(shí)例字段a，以 強(qiáng)制 對(duì)a的讀取

2、實(shí)際上，即時(shí)編譯器將 在volatile字段訪問前后插入內(nèi)存屏障節(jié)點(diǎn)

  • 這些 內(nèi)存屏障節(jié)點(diǎn) 將 阻止 即時(shí)編譯器 將屏障之前所緩存的值用于屏障之后的讀取節(jié)點(diǎn)之上
  • 在X86_64平臺(tái)上，volatile字段讀取前后的內(nèi)存屏障都是no-op
    • 在 即時(shí)編譯過程中的屏障節(jié)點(diǎn) ，還是會(huì) 阻止即時(shí)編譯器的字段讀取優(yōu)化
    • 強(qiáng)制在循環(huán)中使用 內(nèi)存讀取指令 訪問實(shí)例字段Foo.a的最新值

3、同理， 加解鎖操作同樣也會(huì)阻止即時(shí)編譯器的字段讀取優(yōu)化

字段存儲(chǔ)優(yōu)化

如果一個(gè)字段先后被存儲(chǔ)了兩次，而且這 兩次存儲(chǔ)之間沒有對(duì)第一次存儲(chǔ)內(nèi)容讀取 ，那么即時(shí)編譯器將 消除 第一個(gè)字段存儲(chǔ)

樣例1

class Foo {
 int a = 0;
 void bar() {
  a = 1;
  a = 2;
 }
}

即時(shí)編譯器將消除bar方法的冗余存儲(chǔ)

void bar() {
 a = 2;
}

樣例2

即便在某個(gè)字段的兩個(gè)存儲(chǔ)操作之間讀取該字段，即時(shí)編譯器也可能在 字段讀取優(yōu)化 的幫助下，將第一個(gè)存儲(chǔ)操作當(dāng)作 冗余存儲(chǔ)

場(chǎng)景：例如兩個(gè)存儲(chǔ)操作之間隔著許多代碼，又或者因?yàn)?方法內(nèi)聯(lián) 的原因，將兩個(gè)存儲(chǔ)操作納入到同一編譯單元里（如構(gòu)造器中字段的初始化以及隨后的更新）

class Foo {
 int a = 0;
 void bar() {
  a = 1;
  int t = a;
  a = t + 2;
 }
}
// 優(yōu)化為
class Foo {
 int a = 0;
 void bar() {
  a = 1;
  int t = 1;
  a = t + 2;
 }
}
// 進(jìn)一步優(yōu)化為
class Foo {
 int a = 0;
 void bar() {
  a = 3;
 }
}

如果所存儲(chǔ)的字段被標(biāo)記為 volatile ，那么即時(shí)編譯器也 不能消除冗余存儲(chǔ)

死代碼消除

樣例1

int bar(int x, int y) {
 int t = x*y;
 t = x+y;
 return t;
}

沒有節(jié)點(diǎn)依賴于t的第一個(gè)值 x*y ，因此該乘法運(yùn)算將被消除

int bar(int x, int y) {
 return x+y;
}

樣例2

int bar(boolean f, int x, int y) {
 int t = x*y;
 if (f)
  t = x+y;
 return t;
}

部分程序路徑上有冗余存儲(chǔ)（f=true），該路徑上的乘法運(yùn)算將會(huì)被消除

int bar(boolean f, int x, int y) {
 int t;
 if (f)
  t = x+y;
 else
  t = x*y;
 return t;
}

樣例3

int bar(int x) {
 if (false)
  return x;
 else
  return -x;
}

不可達(dá)分支指的是任何程序路徑都不可達(dá)到的分支，即時(shí)編譯器將 消除不可達(dá)分支

int bar(int x) {
 return -x;
}

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部內(nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對(duì)創(chuàng)新互聯(lián)的支持。

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