你的位置:首页 > Java教程

[Java教程]第六章 字节码执行方式


注:主要参考自《分布式java应用:基础与实践》《深入理解Java虚拟机(第二版)》

 

1、两种执行方式:

  • 解释执行(运行期解释字节码并执行)
    • 强制使用该模式:-Xint
  • 编译为机器码执行(将字节码编译为机器码并执行,这个编译过程发生在运行期,称为JIT编译)
    • 强制使用该模式:-Xcomp,下面是两种编译模式
    • client(即C1):只做少量性能开销比高的优化,占用内存少,适用于桌面程序。
    • server(即C2):进行了大量优化,占用内存多,适用于服务端程序。会收集大量的运行时信息。

注意:

  • 32为机器默认选择C1,可在启动时添加-client或-server来指定,64位机器若CPU>2且物理内存>2G则默认为C2,否则为C1
  • Hotspot JVM执行代码的机制:对在执行过程中执行频率高的代码进行编译,对执行频率不高的代码继续解释执行

 

2、解释执行

查看 第三章 类文件结构与javap的使用 中的inc()方法的执行

或者查看《深入了解java虚拟机(第二版)》P272-P275

 

3、编译执行

  • 编译的对象
    • 方法
    • 方法中的循环体
      • OSR编译:编译整段代码,但是只有循环体部分会执行机器码,其他部分还是解释执行
  • 触发条件(执行频率大于多少)
    • 方法调用计数器:方法被调用的次数
      • client:1500  server:10000 
      • 该阈值可通过-XX:CompileThreshold来指定
      • 这里"方法调用的次数"是指一段时间(半衰周期)内的调用次数,如果半衰周期内,该次数没有达到阈值,则该次数减半。
        • -XX:-UseCounterDecay 关闭上述机制,即半衰周期的无穷大
        • -XX:CounterHalfLifeTime 半衰周期
    • 回边计数器:循环体内循环代码的执行次数(即for中代码的循环的次数)
      • client:13995  server:10700
      • 该阈值可通过-XX:OnStackReplacePercent(注意该OSRP只是一个计算回边计数阈值的中间值),回边计数阈值
        • client:CompileThreshold*OSRP/100
        • server:CompileThreshold*(OSRP-InterPreterProfilePercentage)/100
        • -XX:OnStackReplacePercent:140  InterPreterProfilePercentage:33
  • 方法编译执行
    • 解释器调用方法时,检查是否有已经存在的编译版本,如果有,执行机器码,如果没有,方法调用计数器+1,然后判断方法调用计数器是否超过阈值,若超过,进行编译,后台线程进行编译,前台线程继续解释执行(即不会阻塞),直到下一次调用方法时,如果编译好了,就直接执行机器码,如果没编译好,就解释执行。
  • 循环体编译执行
    • 解释器执行到循环体时,检查是否有已经存在的编译版本,如果有,执行机器码,如果没有,回边计数器+1,然后判断回边计数器是否超过阈值,若超过,进行编译,后台线程进行编译,前台线程继续解释执行(即不会阻塞),直到下一次执行到循环体时,如果编译好了,就直接执行机器码,如果没编译好,就解释执行。

 

4、C1优化

说明:关于全部的优化技术列表,查看《深入理解java虚拟机(第二版)》P346-P347

只做少量性能开销比高的优化,占用内存少,主要的优化包括:

  • 方法内联
  • 冗余消除
  • 复写传播
  • 消除无用代码
  • 类型继承关系分析(CHA,辅助)
  • 去虚拟化

4.1、方法内联、冗余消除、复写传播、消除无用代码

4.1.1、方法内联

方法内联含义:假设方法A调用了方法B,把B的指令直接植入到A中。

  static class B{    int value;    final int get() {      return value;    }  }    public void foo() {    y = b.get();    //do something    z = b.get();    sum = y + z;  }

View Code

说明:在上述代码中,b是B的一个实例。

方法内联之后,

  public void foo() {    y = b.value;    //do something    z = b.value;    sum = y + z;  }

View Code

方法内联的条件:

  • get()编译后的字节数<=35byte(默认) -XX:MaxInlineSize=35指定

方法内联的地位:

  • 优化系列中最一开始使用的方式(因为是很多其他优化手段的基础)
  • 消除方法调用的成本(建立栈帧、避免参数传递、避免返回值传递、避免跳转)

4.1.2、冗余消除

冗余消除:如上边的两个b.value冗余(前提,在do something部分没有对b.value进行操作,这也是我们在做优化之前需要先收集数据的原因)

假设在do something部分没有对b.value进行操作,进行冗余消除后,

  public void foo() {    y = b.value;    //do something    z = y;    sum = y + z;  }

View Code

4.1.3、复写传播

当然,在冗余消除后,JIT对上述的代码进行分析,发现变量z没用(可以完全用y来代替),进行"复写传播"之后,

  public void foo() {    y = b.value;    //do something    y = y;    sum = y + y;  }

View Code

4.1.4、无用代码消除

在"复写传播"后,发现"y=y"是无用代码,所以可以进行"无用代码的消除"操作,消除之后,

  public void foo() {    y = b.value;    //do something    sum = y + y;  }

View Code

需要说明的是,这里的"无用代码的消除"是在前三部优化的基础上来做的,而javac编译中"语义分析"部分的"无用代码的消除"是直接消除一些直接写好的代码(例如:if(false){})

 

4.2、类型继承关系分析、去虚拟化

public interface Animal {  public void eat();}public class Cat implements Animal{  public void eat() {    System.out.println("cat eat fish");  }}public class Test{  public void methodA(Animal animal){    animal.eat();  }}

View Code

首先分析Animal的整个"类型继承关系",发现只有一个实现类Cat,那么在methodA(Animal animal)的代码就可以优化为如下,

  public void methodA(Animal animal){    System.out.println("cat eat fish");  }

View Code

但是,如果之后在运行过程中,"类型继承关系"发现Animal又多了一个实现类Dog,那么此时就不在执行之前优化编译好的机器码了,而是进行解释执行,即如下的"逆优化"。

逆优化:

当编译后的机器码的执行不再符合优化条件,则该机器码对应的部分回到解释执行。

eg.比如"去虚拟化",如果编译之后,发现类的实现方法多于一种了,此时就要执行"逆优化"

 

5、C2优化

进行了大量优化,占用内存多,适用于服务端程序,对于C2优化,除了具有C1的优化措施后,还有很多优化。

逃逸分析(辅助):

开启:-XX:+DoEscapeAnalysis

根据运行状况来判断方法中的变量是否会被方法或外部线程所读取,若不会,此变量是不逃逸的。基于此,C2在编译时会做:

  • 标量替换:开启 -XX:+EliminateAllocations
  • 栈上分配
  • 同步削除:开启 -XX:+EliminateLocks

5.1、标量替换

含义:将一个java对象打散,根据程序,将该对象中的属性作为一个个标量来使用。

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

View Code

若在//do after中(即前边两句代码之后的所有代码中)再没有其他代码访问"point对象"了,则将"point对象"打散并进行标量替换,

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

View Code

好处:

  • 如果对象中定义的所有变量有的并没有被用到,"标量替换"可以节省内存
  • 执行时,不需要寻找对象引用,速度会快

5.2、栈上分配

含义:确定一个方法的变量不会逃逸出当前方法之外(即该变量不会被其他方法引用),则该变量可以直接分配在栈上,随方法执行结束,栈帧消失,该变量也消失,减轻GC压力。

好处:

  • 执行时,不需要根据对象引用去堆中找对象,速度会快
  • 分配在栈上,随方法执行结束,栈帧消失,该变量也消失,减轻GC压力。

5.3、同步削除

含义:确定一个方法的变量不会逃逸出当前线程之外(即该变量不会被其他线程使用),则对于该变量的同步策略就消除掉,如下,

  synchronized(cat){    //do xxx  }

View Code

若cat不会逃逸出当前线程,则同步块可以去掉,如下,

//do xxx

View Code

 

总结:

解释器:

  • 程序启动速度比编译快
  • 节省内存(不需要编译,所以不需要放置编译后的机器码)

JIT编译器:

  • 时间长了,对于"热点代码"的执行会快

注意:

  • 使用JIT而不是使用在编译期直接编译成机器码,除了解释器部分的两条有点外,还为了在运行期收集数据,有目的的进行编译