JVM進階教程之字段訪問優化淺析

前言

在實際中，Java程序中的對象或許 本身就是逃逸 的，或許因為 方法內聯不夠徹底 而被即時編譯器 當成是逃逸 的，這兩種情況都將

導致即時編譯器 無法進行標量替換 ，這時，針對對象字段訪問的優化顯得更為重要。

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

1. 對象o是傳入參數， 不屬于逃逸分析的范圍 （JVM中的逃逸分析針對的是 新建對象 ）
2. 該方法會將所傳入的int型參數x的值存儲至實例字段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 內存訪問操作：存儲和讀取實例字段Foo.a
4. 代碼可以手工優化成如下

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

即時編譯器也能作出類似的 自動優化

字段讀取優化

即時編譯器會優化 實例字段 和 靜態字段 的訪問，以 減少總的內存訪問次數

即時編譯器將 沿著控制流 ，緩存各個字段 存儲節點 將要存儲的值，或者字段 讀取節點 所得到的值

• 當即時編譯器 遇到對同一字段的讀取節點 時，如果緩存值還沒有失效，那么將讀取節點 替換 為該緩存值
• 當即時編譯器 遇到對同一字段的存儲節點 時，會 更新 所緩存的值
  
  • 當即時編譯器遇到 可能更新 字段的節點時，它會采取 保守 的策略， 舍棄所有的緩存值
  • 方法調用節點 ：在即時編譯器看來，方法調用會執行 未知代碼
  • 內存屏障節點 ：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;
}

實例字段Foo.a被讀取兩次，即時編譯器會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 節省 一次內存訪問

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;
}

字段讀取節點被替換成一個 常量 ，進一步觸發更多的優化

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; }
}

即時編譯器會將while循環中讀取實例字段a的操作 直接替換為常量true

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

1、可以通過 volatile 關鍵字標記實例字段a，以 強制 對a的讀取

2、實際上，即時編譯器將 在volatile字段訪問前后插入內存屏障節點

• 這些 內存屏障節點 將 阻止 即時編譯器 將屏障之前所緩存的值用于屏障之后的讀取節點之上
• 在X86_64平臺上，volatile字段讀取前后的內存屏障都是no-op
  • 在 即時編譯過程中的屏障節點 ，還是會 阻止即時編譯器的字段讀取優化
  • 強制在循環中使用 內存讀取指令 訪問實例字段Foo.a的最新值

3、同理， 加解鎖操作同樣也會阻止即時編譯器的字段讀取優化

字段存儲優化

如果一個字段先后被存儲了兩次，而且這 兩次存儲之間沒有對第一次存儲內容讀取 ，那么即時編譯器將 消除 第一個字段存儲

樣例1

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

即時編譯器將消除bar方法的冗余存儲

void bar() {
 a = 2;
}

樣例2

即便在某個字段的兩個存儲操作之間讀取該字段，即時編譯器也可能在 字段讀取優化 的幫助下，將第一個存儲操作當作 冗余存儲

場景：例如兩個存儲操作之間隔著許多代碼，又或者因為 方法內聯 的原因，將兩個存儲操作納入到同一編譯單元里（如構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;
 }
}
// 優化為
class Foo {
 int a = 0;
 void bar() {
  a = 1;
  int t = 1;
  a = t + 2;
 }
}
// 進一步優化為
class Foo {
 int a = 0;
 void bar() {
  a = 3;
 }
}

如果所存儲的字段被標記為 volatile ，那么即時編譯器也 不能消除冗余存儲

死代碼消除

樣例1

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

沒有節點依賴于t的第一個值 x*y ，因此該乘法運算將被消除

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（f=true），該路徑上的乘法運算將會被消除

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;
}

不可達分支指的是任何程序路徑都不可達到的分支，即時編譯器將 消除不可達分支

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

總結

以上就是這篇文章的全部內容了，希望本文的內容對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，如果有疑問大家可以留言交流，謝謝大家對億速云的支持。