《深入理解Java虚拟机》读书笔记6：程序编译与代码优化

国内JVM相关书籍NO.1，Java程序员必读。读书笔记第六部分对应原书的第十章和第十一章，主要介绍javac编译过程、HotSpot的即时编译器以及常见的编译优化技术，通过了解这部分的内容有利于我们更好的编码。

第四部分 程序编译与代码优化

第十章 早期（编译器）优化

10.1 概述

• 前端编译器（或叫编译器前端）：把.java文件转变为.class文件的过程，比如Sun的javac、Eclipse JDT中的ECJ；
• 后端运行编译器（JIT编译器）：把字节码转变为机器码的过程，比如HotSpot VM的C1、C2编译器；
• 静态提前编译器（AOT编译器）：直接把*.java文件编译成本地机器代码的过程，比如GNU Compiler for the Java；
• 本章主要针对第一类，把第二类的编译过程留到下一章讨论；
• javac这类编译器对代码运行效率几乎没有任何优化措施，虚拟机设计团队把对性能的优化集中到了后端的即时编译器中，这样那些不是由javac产生的Class文件也同样能享受到编译器优化所带来的好处；
• javac做了许多针对Java语言编码过程的优化措施来改善程序员的编码风格和提高编码效率；可以说，Java中即时编译器在运行期的优化过程对于程序运行来说更重要，而前端编译器在编译器的优化过程对于程序编码来说关系更加密切；

10.2 javac编译器

javac编译器本身就是一个由Java语言编写的程序，这为纯Java的程序员了解它的编译过程带来了很大的便利。

10.2.1 javac的源码与调试

• javac的源码存放在JDK_SRC_HOME/langtools/src/share/classes/com/sun/tools/javac，除了JDK自身的API外，就只引用了JDK_SRC_HOME/langtools/src/share/classes/com/sun/*里面的代码；
• 导入javac的源码后就可以运行com.sun.tools.javac.Main的main方法来执行编译了；
• javac编译过程大概可以分为3个过程：解析与填充符号表过程、插入式注解处理器的注解处理过程、分析与字节码生成过程；

javac编译过程的主体代码

10.2.2 解析与填充符号表

• 解析步骤由parseFiles方法完成；
• 词法分析将源代码的字符流转变为标记（Token）集合，由com.sun.tools.javac.parser.Scanner类完成；
• 语法分析是根据Token序列构造抽象语法树（AST，一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式）的过程，由com.sun.tools.javac.parser.Parser类实现，AST由com.sun.tools.javac.tree.JCTree类表示；
• 填充符号表：由enterTrees方法完成；符号表是由一组符号地址和符号信息构成的表格，所登记的信息在编译的不同阶段都要用到，在语义分析中用于语义检查，在目标代码生成时用于地址分配；由com.sun.tools.javac.comp.Enter类实现；

10.2.3 注解处理器

• 在JDK 1.6中实现了JSR-269规范，提供了一组插入式注解处理器的标准API在编译期间对注解进行处理，可以读取、修改、添加抽象语法树中的任意元素；
• 通过插入式注解处理器实现的插件在功能上有很大的发挥空间，程序员可以使用插入式注解处理器来实现许多原本只能在编码中完成的事情；
• javac中，在initProcessAnnotations初始化，在processAnnotations执行，如果有新的注解处理器，通过com.sun.tools.javac.processing.JavacProcessingEnviroment类的doProcessing方法生成一个新的JavaCompiler对象对编译的后续步骤进行处理；

10.2.4 语义分析与字节码生成

• 语义分析的主要任务是对结构上正确的源程序进行上下文有关性质的审查，主要包括标注检查、数据及控制流分析两个步骤；
• 解语法糖（Syntactic Sugar，添加的某种对语言功能没有影响但方便程序员使用的语法）：Java中最常用的语法糖主要是泛型、变长参数、自动装箱等，他们在编译阶段还原回简单的基础语法结构；在com.sun.tools.javac.comp.TransTypes类和com.sun.tools.javac.comp.Lower类中完成；
• 字节码生成：javac编译的最后一个阶段，不仅仅是把前面各个步骤所生成的信息转化为字节码写入到磁盘中，编译器还进行了少量的代码添加和转换工作（如实例构造器方法和类构造器方法）；由com.sun.tools.javac.jvm.ClassWriter类的writeClass方法输出字节码，生成最终的Class文件；

10.3 Java语法糖的味道

10.3.1 泛型与类型擦除

• Java语言的泛型只在程序源码中存在，在编译后的字节码文件中，就已经替换为原来的原生类型了，并且在相应的地方插入了强制转换，这种基于类型擦除的泛型实现是一种伪泛型；
• JCP组织引入了Signature属性，它的作用就是存储一个方法在字节码层面的特征签名，这个属性中保存的参数类型并不是原生类型，而是包括了参数化类型的信息，这样我们就可以通过反射手段获取参数化类型；

10.3.2 自动装箱、拆箱与遍历循环

• 它们的实现比较简单，但却是Java语言里使用最多的语法糖；

10.3.3 条件编译

• Java语言之中并没有使用预处理器，因为Java编译器并非一个个地编译Java文件，而是将所有编译单元的语法树顶级节点输入到待处理列表后再进行编译；
• Java语言可以使用条件为常量的if语句进行条件编译；编译器将会把分支中不成立的代码块消除掉；

10.4 实战：插入式注解处理器

• 实战目标：使用注解处理器API来编写一款拥有自己编码风格的校验工具；
• 代码实现：继承javax.annotation.processing.AbstractProcessor，实现process方法，从第一个参数annotations获取此注解处理器所要处理的注解集合，从第二个参数roundEnv中访问到当前这个Round中的语法树节点；另外还有一个很常用的实例变量processingEnv，它代表了注解处理器框架提供的一个上下文环境；可以配合使用的@SupportedAnnotationTypes和@SupportedSourceVersion注解；

@SupportedAnnotationTypes("*")
@SupportedSourceVersion(SourceVersion.RELEASE_6)
public class NameCheckProcessor extends AbstractProcessor{
    
    private NameChecker nameChecker;
    
    @Override
    public void init(ProcessingEnviroment processingEnv){
        super.init(processingEnv);
        nameChecker = new NameChecker(processingEnv);
    }
    
    @Override
    public boolean process(Set annotations, RoundEnviroment roundEnv){
        if(!roundEnv.processingOver){
            for(Element element : roundEnv.getRootElements()){
                nameChecker.checkNames(element);
            }
        }
        
        return false;
    }
    
}

10.5 本章小结

本章我们从编译器源码实现的层次上了解了javac源代码编译为字节码的过程，分析了Java语言中多种语法糖的前因后果，并实战实习了如何使用插入式注解处理器来完成一个检查程序命名规范的编译器插件。下一章我们将会介绍即时编译器的运作和优化过程。

第十一章 晚期（运行期）优化

11.1 概述

• 为了提高热点代码的执行效率，在运行时虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，完成这个任务的编译器称为即时编译器（JIT）；
• JIT不是虚拟机必需的，但是其编译性能的好坏、代码优化程度的高低却是衡量一款商用虚拟机优秀与否的最关键的指标之一，它也是虚拟机中最核心且最能体现虚拟机技术水平的部分；

11.2 HotSpot虚拟机内的即时编译器

11.2.1 解释器与编译器

• 当程序需要迅速启动和执行的时候，解释器可以先发挥作用，省去编译的时间立即执行；在程序运行后，随着时间的推移，编译器把越来越多的代码编译成本地代码提升执行效率；
• HotSpot虚拟机中内置了两个即时编译器，分别为Client Compiler和Server Compiler，或简称为C1编译器和C2编译器；虚拟机会根据自身版本与宿主机器的硬件性能自动选择运行模式，也可以使用“-client”或“-server”参数去强制指定运行模式；
• 想要编译出优化程度更高的代码，解释器可能还要替编译器收集性能监控信息，为了在程序启动响应速度与运行效率之间达到最佳平衡，HotSpot虚拟机还会逐渐启动分层编译的策略：第0层，程序解释运行；第1层，C1编译；第2层，C2编译；
• 实施分层编译后，Client Compiler和Server Compiler将会同时工作，许多代码都可能会被多次编译，用Client Compiler获取更高的编译速度，用Server Compiler来获取更好的编译质量，在解释执行的时候也无须再承担性能收集监控信息的任务；

11.2.2 编译对象与触发条件

• 被JIT编译的热点代码有两类：被多次调用的方法、被多次执行的循环体；对于前者编译器会以整个方法作为编译对象，属于标准的JIT编译方式；对于后者尽管编译动作是由循环体所触发的，但编译器依然会以整个方法作为编译对象，这种编译方式称之为栈上替换（OSR编译）；
• 热点探测：基于采样的热点探测和基于计数器的热点探测，在HotSpot虚拟机中使用的是第二种，通过方法计数器和回边计数器进行热点探测。方法调用计数器触发的即时编译交互过程如下图所示：

调用计数器触发的即时编译

11.2.3 编译过程

• 对于Client Compiler来说，它是一个简单快速的三段式编译器，主要的关注点在于局部性的优化，而放弃了很多耗时较长的全局优化手段；第一阶段一个平台独立的前端将字节码构造成一个高级中间代码表示（HIR），第二阶段一个平台相关的后端从HIR中产生低级中间代码表示（LIR），最后阶段是在平台相关的后端使用线性扫描算法在LIR上分配寄存器，并在LIR上做窥孔优化，然后产生机器代码。其大致过程如下所示：

Client Compiler架构

• Server Compiler是专门面向服务端的典型应用并为服务端的性能配置特别调整过的编译器，也是一个充分优化过的高级编译器，几乎能达到GNU C++编译器使用-02参数时的优化强大，它会执行所有经典的优化动作，如无用代码消除、循环展开、循环表达式外提、消除公共子表达式、常量传播、基本块重排序等，还会实现如范围检查消除、空值检查消除等Java语言特性密切相关的优化技术；

11.2.4 查看及分析即时编译结果

• 本节的运行参数有一部分需要Debug或FastDebug版虚拟机的支持；
• 要知道某个方法是否被编译过，可以使用参数-XX:+PrintCompilation要求虚拟机在即时编译时将被编译成本地代码的方法名称打印出来；
• 还可以加上参数-XX:+PrintInlining要求虚拟机输出方法内联信息，输出内容如下：

编译结果

• 除了查看那些方法被编译之外，还可以进一步查看即时编译器生成的机器码内容，这个需要结合虚拟机提供的反汇编接口来阅读；

11.3 编译优化技术

11.3.1 优化技术概览

优化技术概览1

优化技术概览2

11.3.2 公共子表达式消除

• 如果一个表达式E已经计算过了，并且从先前的计算到现在E中所有变量的值都没有发生变化，那么E的这次出现就成为了公共子表达式，只需要直接用前面计算过的表达式结果代替E就可以了；

11.3.3 数组边界检查消除

• 对于虚拟机的执行子系统来说，每次数组元素的读写都带有一次隐含的条件判断，对于拥有大量数组访问的程序代码无疑是一种性能负担；

11.3.4 方法内联

• 除了消除方法调用的成本外更重要的意义是为其他优化手段建立良好的基础；
• 为了解决虚方法的内联问题，引入了类型继承关系分析（CHA）技术和内联缓存（Inline Cache）来完成方法内联；

11.3.5 逃逸分析

• 逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域，当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法所引用（方法逃逸），甚至还可能被外部线程所访问到（线程逃逸）；如果能证明一个对象不会逃逸到方法或线程之外，则可能为这个变量进行一些高效的优化，比如栈上分配（减轻垃圾收集的压力）、同步消除（读写不会有竞争）、标量替换；

11.4 Java与C/C++的编译器对比

• Java虚拟机的即时编译器与C/C++的静态优化编译器相比，可能会由于下列这些原因而导致输出的本地代码有一些劣势：即时编译器运行占用用户程序运行时间、动态类型安全语言导致的频繁检查、运行时对方法接收者进行多态选择的频率大、可以动态扩展导致很多全局的优化难以运行、大部分对象在堆上分配导致垃圾收集机制的效率低；
• Java语言的特性换取了开发效率的提升、还有许多优化是静态优化编译器不好做的，比如别名分析、还有一些以运行期性能监控为基础的优化措施如调用频率预测等；

11.5 本章小结

本章我们着重了解了虚拟机的热点探测方法、HotSpot的即时编译器、编译触发条件以及如何从虚拟机外部观察和分析JIT编译的数据和结果，还选择了集中场景的编译期优化技术进行讲解。对Java编译器的深入了解，有助于在工作中分辨哪些代码是编译器可以帮我们处理的，哪些代码需要自己调节以便更适合编译器的优化。

系列读书笔记

• 《深入理解Java虚拟机》读书笔记1：Java技术体系、Java内存区域和内存溢出异常
• 《深入理解Java虚拟机》读书笔记2：垃圾收集器与内存分配策略
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• 《深入理解Java虚拟机》读书笔记4：类文件结构
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