如何進(jìn)行JVM虛擬機(jī)中Java的編譯期優(yōu)化與運(yùn)行期優(yōu)化

這篇文章將為大家詳細(xì)講解有關(guān)如何進(jìn)行JVM虛擬機(jī)中Java的編譯期優(yōu)化與運(yùn)行期優(yōu)化，文章內(nèi)容質(zhì)量較高，因此小編分享給大家做個(gè)參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關(guān)知識有一定的了解。

java編譯期優(yōu)化

java語言的編譯期其實(shí)是一段不確定的操作過程，因?yàn)樗梢苑譃槿惥幾g過程：
1.前端編譯：把.java文件轉(zhuǎn)變?yōu)?/em>.class文件
2.后端編譯：把字節(jié)碼轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器碼
3.靜態(tài)提前編譯：直接把.java文件編譯成本地機(jī)器代碼
從JDK1.3開始，虛擬機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就把對性能的優(yōu)化集中到了后端的即時(shí)編譯中，這樣可以讓那些不是由Javac產(chǎn)生的Class文件（如JRuby、Groovy等語言的Class文件）也能享受到編譯期優(yōu)化所帶來的好處
*Java中即時(shí)編譯在運(yùn)行期的優(yōu)化過程對于程序運(yùn)行來說更重要，而前端編譯期在編譯期的優(yōu)化過程對于程序編碼來說關(guān)系更加密切    

早期（編譯期）優(yōu)化

早期編譯過程主要分為3個(gè)部分：1.解析與填充符號表過程：詞法、語法分析；填充符號表  2.插入式注解處理器的注解處理過程  3.語義分析與字節(jié)碼生成過程：標(biāo)注檢查、數(shù)據(jù)與控制流分析、解語法糖、字節(jié)碼生成

泛型與類型擦除

Java語言中的泛型只在程序源碼中存在，在編譯后的字節(jié)碼文件中，就已經(jīng)替換成原來的原生類型了，并且在相應(yīng)的地方插入了強(qiáng)制轉(zhuǎn)型代碼

泛型擦除前的例子    
public static void main( String[] args )
{
    Map<String,String> map = new HashMap<String, String>();
    map.put("hello","你好");
    System.out.println(map.get("hello"));
}
泛型擦除后的例子    
public static void main( String[] args )
{
    Map map = new HashMap();
    map.put("hello","你好");
    System.out.println((String)map.get("hello"));
}

自動裝箱、拆箱與遍歷循環(huán)

自動裝箱、拆箱在編譯之后會被轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的包裝和還原方法，如Integer.valueOf()與Integer.intValue()，而遍歷循環(huán)則把代碼還原成了迭代器的實(shí)現(xiàn)，變長參數(shù)會變成數(shù)組類型的參數(shù)。
然而包裝類的“==”運(yùn)算在不遇到算術(shù)運(yùn)算的情況下不會自動拆箱，以及它們的equals()方法不處理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型的關(guān)系。

條件編譯

Java語言也可以進(jìn)行條件編譯，方法就是使用條件為常量的if語句，它在編譯階段就會被“運(yùn)行”：

public static void main(String[] args) {
    if(true){
        System.out.println("block 1");
    }
    else{
        System.out.println("block 2");
    }
}
編譯后Class文件的反編譯結(jié)果：
public static void main(String[] args) {
    System.out.println("block 1");
}

只能是條件為常量的if語句，這也是Java語言的語法糖，根據(jù)布爾常量值的真假，編譯器會把分支中不成立的代碼塊消除掉

晚期（運(yùn)行期）優(yōu)化

解釋器與編譯器

Java程序最初是通過解釋器進(jìn)行解釋執(zhí)行的，當(dāng)程序需要迅速啟動和執(zhí)行時(shí)，解釋器可以首先發(fā)揮作用，省去編譯時(shí)間，立即執(zhí)行；當(dāng)程序運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，編譯期逐漸發(fā)揮作用，把越來越多的代碼編譯成本地代碼，獲得更高的執(zhí)行效率。解釋執(zhí)行節(jié)約內(nèi)存，編譯執(zhí)行提升效率。 同時(shí)，解釋器可以作為編譯器激進(jìn)優(yōu)化時(shí)的一個(gè)“逃生門”，讓編譯器根據(jù)概率選擇一些大多數(shù)時(shí)候都能提升運(yùn)行速度的優(yōu)化手段，當(dāng)激進(jìn)優(yōu)化的假設(shè)不成立，則通過逆優(yōu)化退回到解釋狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。

HotSpot虛擬機(jī)中內(nèi)置了兩個(gè)即時(shí)編譯器，分別稱為Client Compiler(C1編譯器)和Server Compiler(C2編譯器)，默認(rèn)采用解釋器與其中一個(gè)編譯器直接配合的方式工作，使用哪個(gè)編譯器取決于虛擬機(jī)運(yùn)行的模式，也可以自己去指定。若強(qiáng)制虛擬機(jī)運(yùn)行與“解釋模式”，編譯器完全不介入工作，若強(qiáng)制虛擬機(jī)運(yùn)行于“編譯模式”，則優(yōu)先采用編譯方式執(zhí)行程序，解釋器仍然要在編譯無法進(jìn)行的情況下介入執(zhí)行過程。

分層編譯策略

分層編譯策略作為默認(rèn)編譯策略在JDK1.7的Server模式虛擬機(jī)中被開啟，其中包括：
第0層：程序解釋執(zhí)行，解釋器不開啟性能監(jiān)控功能，可觸發(fā)第1層編譯；
第1層：C1編譯，將字節(jié)碼編譯成本地代碼，進(jìn)行簡單可靠的優(yōu)化，如有必要將加入性能監(jiān)控的邏輯；
第2層：C2編譯，也是將字節(jié)碼編譯成本地代碼，但是會啟動一些編譯耗時(shí)較長的優(yōu)化，甚至?xí)鶕?jù)性能監(jiān)控信息進(jìn)行一些不可靠的激進(jìn)優(yōu)化。
實(shí)施分層編譯后，C1和C2將會同時(shí)工作，C1獲取更高的編譯速度，C2獲取更好的編譯質(zhì)量，在解釋執(zhí)行的時(shí)候也無須再承擔(dān)性能監(jiān)控信息的任務(wù)。

熱點(diǎn)代碼探測

在運(yùn)行過程中會被即時(shí)編譯器編譯的“熱點(diǎn)代碼”有兩類：
1.被多次調(diào)用的方法：由方法調(diào)用觸發(fā)的編譯，屬于JIT編譯方式
2.被多次執(zhí)行的循環(huán)體：也以整個(gè)方法作為編譯對象，因?yàn)榫幾g發(fā)生在方法執(zhí)行過程中，因此成為棧上替換（OSR編譯）
熱點(diǎn)探測判定方式有兩種：
1.基于采樣的熱點(diǎn)探測：虛擬機(jī)周期性的檢查各個(gè)線程的棧頂，如果某個(gè)方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，則判定為“熱點(diǎn)方法”。（簡單高效，可以獲取方法的調(diào)用關(guān)系，但容易受線程阻塞或別的外界因素影響擾亂熱點(diǎn)探測）
2.基于計(jì)數(shù)的熱點(diǎn)探測：虛擬機(jī)為每個(gè)方法建立一個(gè)計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)方法的執(zhí)行次數(shù)，超過一定閾值就是“熱點(diǎn)方法”。（需要為每個(gè)方法維護(hù)計(jì)數(shù)器，不能直接獲取方法的調(diào)用關(guān)系，但是統(tǒng)計(jì)結(jié)果精確嚴(yán)謹(jǐn)）

HotSpot虛擬機(jī)使用的是第二種，它為每個(gè)方法準(zhǔn)備了兩類計(jì)數(shù)器：方法調(diào)用計(jì)數(shù)器和回邊計(jì)數(shù)器，下圖表示方法調(diào)用計(jì)數(shù)器觸發(fā)即時(shí)編譯：

如果不做任何設(shè)置，執(zhí)行引擎會繼續(xù)進(jìn)入解釋器按照解釋方式執(zhí)行字節(jié)碼，直到提交的請求被編譯器編譯完成，下次調(diào)用才會使用已編譯的版本。另外，方法調(diào)用計(jì)數(shù)器的值也不是一個(gè)絕對次數(shù)，而是一段時(shí)間之內(nèi)被調(diào)用的次數(shù)，超過這個(gè)時(shí)間，次數(shù)就減半，這稱為計(jì)數(shù)器熱度的衰減。

下圖表示回邊計(jì)數(shù)器觸發(fā)即時(shí)編譯：

回邊計(jì)數(shù)器沒有計(jì)數(shù)器熱度衰減的過程，因此統(tǒng)計(jì)的就是絕對次數(shù)，并且當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，它還會把方法計(jì)數(shù)器的值也調(diào)整到溢出狀態(tài)，這樣下次進(jìn)入該方法的時(shí)候就會執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)編譯過程。

編譯優(yōu)化技術(shù)

虛擬機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幾乎把對代碼的所有優(yōu)化措施都集中在了即時(shí)編譯器之中，那么在編譯器編譯的過程中，到底做了些什么事情呢？下面將介紹幾種最有代表性的優(yōu)化技術(shù)：
公共子表達(dá)式消除
如果一個(gè)表達(dá)式E已經(jīng)計(jì)算過了，并且先前的計(jì)算到現(xiàn)在E中所有變量的值都沒有發(fā)生變化，那么E的這次出現(xiàn)就成為了公共表達(dá)式，可以直接用之前的結(jié)果替換。
例：int d = (c b) 12 + a + (a + b c) => int d = E 12 + a + (a + E)

數(shù)組邊界檢查消除
Java語言中訪問數(shù)組元素都要進(jìn)行上下界的范圍檢查，每次讀寫都有一次條件判定操作，這無疑是一種負(fù)擔(dān)。編譯器只要通過數(shù)據(jù)流分析就可以判定循環(huán)變量的取值范圍永遠(yuǎn)在數(shù)組長度以內(nèi)，那么整個(gè)循環(huán)中就可以把上下界檢查消除，這樣可以省很多次的條件判斷操作。

另一種方法叫做隱式異常處理，Java中空指針的判斷和算術(shù)運(yùn)算中除數(shù)為0的檢查都采用了這個(gè)思路：

if(foo != null){
    return foo.value;
}else{
    throw new NullPointException();
}
使用隱式異常優(yōu)化以后：
try{
    return foo.value;
}catch(segment_fault){
    uncommon_trap();
}
當(dāng)foo極少為空時(shí)，隱式異常優(yōu)化是值得的，但是foo經(jīng)常為空，這樣的優(yōu)化反而會讓程序變慢，而HotSpot虛擬機(jī)會根據(jù)運(yùn)行期收集到的Profile信息自動選擇最優(yōu)方案。

方法內(nèi)聯(lián)
方法內(nèi)聯(lián)能去除方法調(diào)用的成本，同時(shí)也為其他優(yōu)化建立了良好的基礎(chǔ)，因此各種編譯器一般會把內(nèi)聯(lián)優(yōu)化放在優(yōu)化序列的最靠前位置，然而由于Java對象的方法默認(rèn)都是虛方法，因此方法調(diào)用都需要在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行多態(tài)選擇，為了解決虛方法的內(nèi)聯(lián)問題，首先引入了“類型繼承關(guān)系分析（CHA）”的技術(shù)。

1.在內(nèi)聯(lián)時(shí)，若是非虛方法，則可以直接內(nèi)聯(lián)  
2.遇到虛方法，首先根據(jù)CHA判斷此方法是否有多個(gè)目標(biāo)版本，若只有一個(gè)，可以直接內(nèi)聯(lián)，但是需要預(yù)留一個(gè)“逃生門”，稱為守護(hù)內(nèi)聯(lián)，若在程序的后續(xù)執(zhí)行過程中，加載了導(dǎo)致繼承關(guān)系發(fā)生變化的新類，就需要拋棄已經(jīng)編譯的代碼，退回到解釋狀態(tài)執(zhí)行，或者重新編譯。
3.若CHA判斷此方法有多個(gè)目標(biāo)版本，則編譯器會使用“內(nèi)聯(lián)緩存”，第一次調(diào)用緩存記錄下方法接收者的版本信息，并且每次調(diào)用都比較版本，若一致則可以一直使用，若不一致則取消內(nèi)聯(lián)，查找虛方法表進(jìn)行方法分派。

逃逸分析
逃逸分析的基本行為就是分析對象動態(tài)作用域，當(dāng)一個(gè)對象被外部方法所引用，稱為方法逃逸；當(dāng)被外部線程訪問，稱為線程逃逸。若能證明一個(gè)對象不會被外部方法或進(jìn)程引用，則可以為這個(gè)變量進(jìn)行一些優(yōu)化：

1.棧上分配：如果確定一個(gè)對象不會逃逸，則可以讓它分配在棧上，對象所占用的內(nèi)存空間就可以隨棧幀出棧而銷毀。這樣可以減小垃圾收集系統(tǒng)的壓力。  
2.同步消除：線程同步相對耗時(shí)，如果確定一個(gè)變量不會逃逸出線程，那這個(gè)變量的讀寫不會有競爭，則對這個(gè)變量實(shí)施的同步措施也就可以消除掉。  
3.標(biāo)量替換：如果逃逸分析證明一個(gè)對象不會被外部訪問，并且這個(gè)對象可以被拆散的話，那么程序真正執(zhí)行的時(shí)候可以不創(chuàng)建這個(gè)對象，改為直接創(chuàng)建它的成員變量，這樣就可以在棧上分配。

可是目前還不能保證逃逸分析的性能收益必定高于它的消耗，所以這項(xiàng)技術(shù)還不是很成熟。

java與C/C++編譯器對比

Java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器與C/C++的靜態(tài)編譯器相比，可能會由于下面的原因?qū)е螺敵龅谋镜卮a有一些劣勢：
1.即時(shí)編譯器運(yùn)行占用的是用戶程序的運(yùn)行時(shí)間，具有很大的時(shí)間壓力，因此不敢隨便引入大規(guī)模的優(yōu)化技術(shù)；
2.Java語言是動態(tài)的類型安全語言，虛擬器需要頻繁的進(jìn)行動態(tài)檢查，如空指針，上下界范圍，繼承關(guān)系等；
3.Java中使用虛方法頻率遠(yuǎn)高于C++，則需要進(jìn)行多態(tài)選擇的頻率遠(yuǎn)高于C++；
4.Java是可以動態(tài)擴(kuò)展的語言，運(yùn)行時(shí)加載新的類可能改變原有的繼承關(guān)系，許多全局的優(yōu)化措施只能以激進(jìn)優(yōu)化的方式來完成；
5.Java語言的對象內(nèi)存都在堆上分配，垃圾回收的壓力比C++大
然而，Java語言這些性能上的劣勢換取了開發(fā)效率上的優(yōu)勢，并且由于C++編譯器所有優(yōu)化都是在編譯期完成的，以運(yùn)行期性能監(jiān)控為基礎(chǔ)的優(yōu)化措施都無法進(jìn)行，這也是Java編譯器獨(dú)有的優(yōu)勢。

關(guān)于如何進(jìn)行JVM虛擬機(jī)中Java的編譯期優(yōu)化與運(yùn)行期優(yōu)化就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識。如果覺得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。