JVM方法内联

在IntelliJ IDEA里面Ctrl+Alt+M用来拆分方法。选中一段代码敲下这个组合非常简单。Eclipse也用类似的快捷键。我讨厌长的方法提起这个下面这个方法我就觉得太长了

public void processOnEndOfDay(Contract c) {
    if (DateUtils.addDays(c.getCreated(), 7).before(new Date())) {
        priorityHandling(c, OUTDATED_FEE);
        notifyOutdated(c);
        log.info("Outdated: {}", c);
    } else {
        if(sendNotifications) {
            notifyPending(c);
        }
        log.debug("Pending {}", c);
    }
}

首先它有个条件判断可读性很差。先不管它怎么实现的它做什么的才最关键。我们先把它拆分出来

public void processOnEndOfDay(Contract c) {
    if (isOutdated(c)) {
        priorityHandling(c, OUTDATED_FEE);
        notifyOutdated(c);
        log.info("Outdated: {}", c);
    } else {
        if(sendNotifications) {
            notifyPending(c);
        }
        log.debug("Pending {}", c);
    }
}
private boolean isOutdated(Contract c) {
    return DateUtils.addDays(c.getCreated(), 7).before(new Date());
}

很明显这个方法不应该放到这里按下F6转移实例方法

public void processOnEndOfDay(Contract c) {
    if (c.isOutdated()) {
        priorityHandling(c, OUTDATED_FEE);
        notifyOutdated(c);
        log.info("Outdated: {}", c);
    } else {
        if(sendNotifications) {
            notifyPending(c);
        }
        log.debug("Pending {}", c);
    }
}

注意到什么不同吗我的IDE把isOutdated方法改成Contract的实例方法了这才像样嘛。不过我还是不爽。这个方法做的事太杂了。一个分支在处理业务相关的逻辑priorityHandling以及发送系统通知和记录日志。另一个分支在则根据判断条件做系统通知同时记录日志。我们先把处理过期合同拆分成一个独立的方法

public void processOnEndOfDay(Contract c) {
    if (c.isOutdated()) {
        handleOutdated(c);
    } else {
        if(sendNotifications) {
            notifyPending(c);
        }
        log.debug("Pending {}", c);
    }
}
private void handleOutdated(Contract c) {
    priorityHandling(c, OUTDATED_FEE);
    notifyOutdated(c);
    log.info("Outdated: {}", c);
}

有人会觉得这样已经够好了不过我觉得两个分支并不对称令人扎眼。handleOutdated方法层级更高些而else分支更偏细节。软件应该清晰易读因此不要把不同层级间的代码混到一起。这样我会更满意

public void processOnEndOfDay(Contract c) {
    if (c.isOutdated()) {
        handleOutdated(c);
    } else {
        stillPending(c);
    }
}
private void handleOutdated(Contract c) {
    priorityHandling(c, OUTDATED_FEE);
    notifyOutdated(c);
    log.info("Outdated: {}", c);
}
private void stillPending(Contract c) {
    if(sendNotifications) {
        notifyPending(c);
    }
    log.debug("Pending {}", c);
}

这个例子看起来有点装不过其实我想证明的是另一个事情。虽然现在不太常见了不过还是有些开发人员不敢拆分方法担心这样的话影响运行效率。他们不知道JVM其实是个非常棒的软件它其实甩Java语言好几条街它内建有许多非常令人惊讶的运行时优化。首先短方法更利于JVM推断。流程更明显作用域更短副作用也更明显。如果是长方法JVM可能直接就跪了。第二个原因则更重要

方法内联

如果JVM监测到一些小方法被频繁的执行它会把方法的调用替换成方法体本身。比如说下面这个

private int add4(int x1, int x2, int x3, int x4) {
    return add2(x1, x2) + add2(x3, x4);
}
private int add2(int x1, int x2) {
    return x1 + x2;
}

可以肯定的是运行一段时间后JVM会把add2方法去掉并把你的代码翻译成

private int add4(int x1, int x2, int x3, int x4) {
    return x1 + x2 + x3 + x4;
}

注意这说的是JVM而不是编译器。javac在生成字节码的时候是比较保守的这些工作都扔给JVM来做。事实证明这样的设计决策是非常明智的:

JVM更清楚运行的目标环境 CPU内存体系结构它可以更积极的进行优化。

JVM可以发现你代码运行时的特征比如哪个方法被频繁的执行哪个虚方法只有一个实现等等。

旧编译器编译的.class在新版本的JVM上可以获取更快的运行速度。更新JVM和重新编译源代码你肯定更倾向于后者。

我们对这些假设做下测试。我写了一个小程序它有着分治原则的最糟实现的称号。add128方法需要128个参数并且调用了两次add64方法——前后两半各一次。add64也类似不过它是调用了两次add32。你猜的没错最后会由add2方法来结束这一切它是干苦力活的。有些数字我给省略了免得亮瞎了你的眼睛

public class ConcreteAdder {
    public int add128(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x127, int x128) {
        return add64(x1, x2, x3, x4, ... more ..., x63, x64) +
                add64(x65, x66, x67, x68, ... more ..., x127, x128);
    }
    private int add64(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x63, int x64) {
        return add32(x1, x2, x3, x4, ... more ..., x31, x32) +
                add32(x33, x34, x35, x36, ... more ..., x63, x64);
    }
    private int add32(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x31, int x32) {
        return add16(x1, x2, x3, x4, ... more ..., x15, x16) +
                add16(x17, x18, x19, x20, ... more ..., x31, x32);
    }
    private int add16(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x15, int x16) {
        return add8(x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8) + add8(x9, x10, x11, x12, x13, x14, x15, x16);
    }
    private int add8(int x1, int x2, int x3, int x4, int x5, int x6, int x7, int x8) {
        return add4(x1, x2, x3, x4) + add4(x5, x6, x7, x8);
    }
    private int add4(int x1, int x2, int x3, int x4) {
        return add2(x1, x2) + add2(x3, x4);
    }
    private int add2(int x1, int x2) {
        return x1 + x2;
    }
}

不难发现调用add128方法最后一共产生了127个方法调用。太多了。作为参考下面这有个简单直接的实现版本

public class InlineAdder {
    public int add128n(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x127, int x128) {
        return x1 + x2 + x3 + x4 + ... more ... + x127 + x128;
    }
}

最后再来一个使用了抽象类和继承的实现版本。127个虚方法调用开销是非常大的。这些方法需要动态分发因此要求更高所以无法进行内联。

public abstract class Adder {
    public abstract int add128(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x127, int x128);
    public abstract int add64(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x63, int x64);
    public abstract int add32(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x31, int x32);
    public abstract int add16(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x15, int x16);
    public abstract int add8(int x1, int x2, int x3, int x4, int x5, int x6, int x7, int x8);
    public abstract int add4(int x1, int x2, int x3, int x4);
    public abstract int add2(int x1, int x2);
}

还有一个实现

public class VirtualAdder extends Adder {
    @Override
    public int add128(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x128) {
        return add64(x1, x2, x3, x4, ... more ..., x63, x64) +
                add64(x65, x66, x67, x68, ... more ..., x127, x128);
    }
    @Override
    public int add64(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x63, int x64) {
        return add32(x1, x2, x3, x4, ... more ..., x31, x32) +
                add32(x33, x34, x35, x36, ... more ..., x63, x64);
    }
    @Override
    public int add32(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x32) {
        return add16(x1, x2, x3, x4, ... more ..., x15, x16) +
                add16(x17, x18, x19, x20, ... more ..., x31, x32);
    }
    @Override
    public int add16(int x1, int x2, int x3, int x4, ... more ..., int x16) {
        return add8(x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8) + add8(x9, x10, x11, x12, x13, x14, x15, x16);
    }
    @Override
    public int add8(int x1, int x2, int x3, int x4, int x5, int x6, int x7, int x8) {
        return add4(x1, x2, x3, x4) + add4(x5, x6, x7, x8);
    }
    @Override
    public int add4(int x1, int x2, int x3, int x4) {
        return add2(x1, x2) + add2(x3, x4);
    }
    @Override
    public int add2(int x1, int x2) {
        return x1 + x2;
    }
}

受到我的另一篇关于@Cacheable负载的文章的一些热心读者的鼓舞我写了个简单的基准测试来比较这两个过度分拆的ConcreteAdder和VirtualAdder的负载。结果出人意外还有点让人摸不着头脑。我在两台机器上做了测试红色和蓝色的同样的程序不同的是第二台机器CPU核数更多而且是64位的

具体的环境信息

看起来慢的机器上JVM更倾向于进行方法内联。不仅是简单的私有方法调用的版本虚方法的版本也一样。为什么会这样因为JVM发现Adder只有一个子类也就是说每个抽象方法都只有一个版本。如果你在运行时加载了另一个子类或者更多你会看到性能会直线下降因为无能再进行内联了。先不管这个了从测试中来看

这些方法的调用并不是开销很低是根本就没有开销

方法调用还有为了可读性而加的文档只存在于你的源代码和编译后的字节码里运行时它们完全被清除掉了内联了。

我对第二个结果也不太理解。看起来性能高的机器B运行单个方法调用的时候要快点另两个就要慢些。也许它倾向于延迟进行内联结果是有些不同不过差距也不是那么的大。就像优化栈跟踪信息生成那样——如果你为了优化代码性能手动进行内联把方法越搞越庞大越弄越复杂那你就真的错了。

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