《深入理解Java虚拟机》学习笔记（6）--程序编译与代码优化

早期（编译期）优化

Javac这类编译器对代码的运行效率几乎没有任何优化措施。对性能的优化集中到了后端的即时编译器中，这样可以让那些不是由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。相当多新生的Java语法特性，都是靠编译器的“语法糖”来实现，而不是依赖虚拟机的底层改进来支持。

Javac编译过程大致可以分为3个过程：

（1）解析与填充符号表过程

（2）插入式注解处理器的注解处理过程

（3）语义分析与字节码生成过程

解析过程包括 词法分析和 语法分析两个过程。词法分析就是将源代码的字符流转变为标记（token)集合。 语法分析就是将token序列构造抽象语法树。

Java中的语法糖

泛型与类型擦除

泛型本质是参数化类型的应用，也就是操作的数据类型被指定为一个参数。可以应用到类、接口、方法上。泛型其实是javac提供给我们的一颗语法糖。Java中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裸类型了，并且在相应的地方插入 强制类型转换代码。

自动装箱、拆箱与遍历循环（Foreach循环）

条件编译

if (true) {

// 代码块A

} else {

// 代码块B

}

编译器会把代码块B的代码消除掉。

晚期（运行期）优化

java程序最初是通过解释器进行解释执行的，当虚拟机发现某个方法或代码块运行特别频繁时，就把这些代码认定为“热点代码”，为了提高热点代码的执行效率，运行时，虚拟机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成为 即时编译器 （JIT编译器）。 

hotspot和j9都是解释器和编译器并存的架构，其原因是，当程序需要迅速启动和执行的时候，可以用解释器解释执行，这样可以省去编译时间，加快启动时间，立即执行。当程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码，以获取更高的执行效率。当运行环境中内存资源限制较大时，解释器可以节约内存，解释器还可以作为激进优化的编译器的“逃生门”（称为逆优化Deoptimization），即当激进优化的假设不成立时，退回到解释状态继续执行。在整个虚拟机架构中，解释器和编译器经常配合工作，如下图所示：

hotspot内置了两个即时编译器，client compiler和server compiler，称为C1,C2（client compiler获取更高的编译速度，server compiler来获取更好的编译质量），默认是采用解释器与其中一个编译器直接配合的方式工作，程序使用哪个编译器，取决于虚拟机运行的模式，HOTSPOT会根据自身版本和宿主机器的性能自动选择运行模式，用户也可以使用-client或-server去强制虚拟机运行在Client或Server模式。这种解释器编译器搭配的方式称为混合模式，用户还可以使用-Xint强制虚拟机使用“解释模式”，也可以使用-Xcomp强制“编译模式”。

由于即时编译本地代码需要占用程序运行时间， 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，这对解释执行的速度也有影响，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，不开启性能监控；

第1层，C1编译，将字节码编译为本地代码，进行简单、可靠的优化，如有必要则加入性能监控；

第2层，C2编译，也是将字节码编译为本地代码，但是会启用一些编译耗时较长的优化，甚至会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。

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（判断一段代码是不是热点代码）的方式 ：

• 基于采样的热点探测：JVM会周期性检查各个线程的栈顶，如果某个方法经常出现在栈顶，那就认定为热点方法。简单高效，精度不够。 
• 基于计数器的热点探测：统计方法执行次数。（hotspot使用这种方式）

编译优化技术

公共子表达式消除

如果一个表达式之前已经计算过了，并且参与者期间都没有发生变化，那该表达式就是公共子表达式，只需计算一次即可，第二次出现时不需要再次计算。

数组边界检查消除

java是动态安全的，访问数组前会先判断是否越界，若越界则抛出异常，但每次运行都判断，也是种性能负担。编译器在编译期间如果确定对数组的访问不会越界，则省略判断，这样运行时就可以提高效率。还有一种处理思路，即隐式异常处理，即先不做判断，而是等出了异常再处理。对于空指针异常、除0异常，通常采用这种方式来优化。对于数组极少越界（或者指针极少为空）的情况，这样能提升效率，但如果经常抛出异常，隐式异常优化反而会让程序更慢。 

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。

用invokespecial指令调用的私有方法、实例构造器、父类方法以及使用invokestatic指令进行调用的静态方法是在编译期进行解析，这些方法可以直接内联。除了这些方法外（Java中默认的实例方法为虚方法），在运行期要进行方法接受者的多态选择，因此无法在编译期确定应该使用哪个版本，也就无法内联。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。

在许多情况下虚拟机进行的内联都是一种激进优化，需要预留逃生门。

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：

• 栈上分配：将对象分配在栈中而不是堆中，可以省去垃圾回收的开销。
• 同步消除：线程同步本身就是一个相对耗时的过程，若确定变量不会逃逸出线程，对这个变量就不需要实施同步措施 ，对这个变量实施的同步描述就可以消除掉。
• 标量替换：不能再拆分的基本类型就是标量，对象就是聚合量。如果一个对象不会被外部访问，那将可能不创建对象，而是用组成他的一些标量的集合代替它。拆分后，不仅可以让标量在栈上，还可以为后续优化做基础。