深入理解JAVA虚拟机——总结5 Java编译器及优化

来源：互联网发布：上海游族网络招聘电话编辑：程序博客网时间：2024/06/07 18:54

所谓编译
- 前端编译器：将java文件转变为class文件，通常意义上的Java程序的编译
- 后端运行期编译器（JIT,Just In Time），将字节码class文件转变为机器码的过程
- 静态提前编译器（AOT,Ahead Of Time），将java文件转变为本地机器码的过程
所谓编译期优化
- 前端编译器：
  - 对代码的运行效率几乎没有优化措施（JDK1.3之后，javac的-O优化参数不再有意义）
  - 语法糖，针对编码过程的优化措施，改善程序员的编码风格，提高编码效率
- 后端编译器：
  - 集合了大量对运行性能的优化，使得优化效果不仅影响到java程序，还能惠及其他运行在虚拟机上的其他语言的class文件
Javac编译器
- 编译过程：
  - 解析与填充符号表（parseFiles方法）
    - 词法分析：将源代码的字符流转变为token（关键字、变量名、字面量、运算符等）集合
    - 语法分析：根据token序列构造抽象语法树（AST,Abstract Syntax Tree），每个节点代表程序代码中的一个语法结构（包、类型、修饰符、运算符、接口、返回值、注释等）
    - 填充符号表：一组符号地址和符号信息构成的表格，此过程的出口是一个TODO list，包含每个编译单元的抽象语法树的顶级节点
      - Java语言的天然编译方式：将所有的编译单元的语法树顶级节点输入到TODO list后再进行编译，各个文件直接能够互相提供符号信息，而不是一个个地编译Java文件
  - 插入式注解处理器的注解处理过程
    - 注解（Annotation）与普通Java代码一样，在运行期间发挥作用
    - 注解处理器，在编译期间对注解进行处理，可视为编译器的插件，可以读取、修改、添加抽象语法树中的任意元素，使得代码可以干涉编译器行为
    - 如果注解处理器修改了抽象语法树，则编译过程会回到起始的解析与填充符号表阶段，知道不再修改AST为止
  - 分析与字节码生成
    - 语义分析：上下文有关性质的审查，如类型审查
      - 标注检查
        变量是否被声明、变量与赋值是否类型匹配
        常量折叠（a=2+3 -> a=5）
      - 数据及控制流分析
        与类加载时的数据及控制流分析目的类似，校验范围有所区别（如，将局部变量声明为final，对运行期没有影响，仅由编译器保证不变性）
        变量是否有赋值，方法是否有返回值，异常处理
      - 解语法糖
        泛型与类型擦除
        C#的泛型是真实泛型，实现称为类型膨胀，List List在系统运行时是两个不同的类型，有自己的虚方法表和类型数据
        Java的泛型是伪泛型，实现称为类型擦除，只在程序源码中存在，编译后被替换为原生类型，并在相应地方插入强制类型转换代码
        自动装箱、拆箱与遍历循环
        自动装箱、拆箱在编译后被转化为对应的包装和还原方法
        遍历循环咋把代码还原成迭代器实现
        变长参数在调用时变成了数组类型的参数
        条件编译
        if(true){…}else{…},else代码块不会被编译
        只有使用条件为常量的if语句才能达到这种效果
        只能实现语句基本块级别的条件编译
      - 字节码生成
        将前面各个步骤生成的信息（AST&TODO list)转化为字节码写入磁盘
        代码添加和转换工作
        init方法：实例构造器，将语句块、实例变量初始化、调用父类的实例构造器等操作收敛到init方法中
        clinit方法：类构造器，将static语句块、类变量初始化、Object类的init方法等操作收敛到clinit方法中
        代码替换以便优化程序：字符串的加操作替换为StringBuilder的append操作
即时编译器：为提高热点代码的执行效率，将这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各层次优化
- 解释器 VS 编译器
  - 主流虚拟机都采用解释器与编译器并存的架构
  - 解释器省去编译时间，立即执行，迅速启动
  - 编译器富含优化，提升效率和运行速度，激进优化失败后退回解释器执行（逃生门）
  - HotSpot虚拟机内置两个JIT
    - client compiler（C1编译器）
      - 关注局部性的优化
      - 三段式编译器
        字节码->基础优化，方法内联、常量传播等->高级中间代码（HIR,High-Level Intermediate Representation）-> 进阶优化，空值检查消除、范围检查消除等 -> 低级中间代码（LIR）-> 现行扫描算法、窥孔优化（？？）-> 机器代码
    - server compiler（C2编译器）
      - 全局性优化，几乎达到C++编译器-O2的优化强度
      - 根据profiling进行不可靠的激进优化
  - 分层编译
    - 第0层，解释执行，不开启性能监控（profiling）
    - 第1层，C1编译，简单可靠优化，可加入profiling
    - 第2层，C2编译，启用编译耗时较长的优化，根据profiling进行不可靠的激进优化
- 热点代码
  - 被多次调用的方法
    - 以整个方法作为编译对象
  - 被多次执行的循环体
    - 以整个方法（而不是循环体）为编译对象
    - 编译发生在方法执行过程中，栈上替换（OSR, On Stack Replacement），方法栈帧还在栈上就被替换了
  - 热点探测判定方式
    - 基于采样的热点探测
      - 周期性检查各线程的栈顶
      - 简单高效，容易获取方法调用关系（展开调用堆栈即可）
      - 精确度不高，易受线程阻塞和其他外界因素影响
    - 基于计数器的热点探测（HotSpot采用）
      - 计数器超过一定阈值判定
      - 麻烦，需维护计数器，不能直接获取调用关系
      - 精确严谨
  - HotSpot采用的基于计数器的热点探测
    - 方法调用计数器
      - 多次调用的方法
      - 非绝对调用次数，而是一段时间内的调用次数
      - 存在热度衰减，超过一段时间后以统计的次数变少
    - 回边计数器
      - 循环体
      - 绝对次数，无衰减
- 编译优化技术
  - 方法内联：去除调用成本，便于在更大范围上采取后续优化手段
    - 按照经典编译原理的优化理论，大多数Java方法不能内联，因为java方法调用需要在运行时进行方法接受者的多态选择
    - 解决虚方法与内联的矛盾：类型继承关系分析（CHA, Class Hierarchy Analysis）
      - 如果是非虚方法，则内联
      - 虚方法，向CHA查询当前程序下是否有多个目标版本
        一个版本，则内联
        多个版本，则内联缓存
        未发生方法调用前，缓存状态为空
        第一次调用后，记录下方法接受者的版本信息
        下次调用读取缓存
        如果之后的每次调用，方法接受者版本一样，则一直内联
        否则，取消内联，查找虚方法表进行方法分派
  - 冗余访问消除
  - 复写传播
  - 无用代码消除
  - 公共子表达式消除
  - 数组边界检查消除
  - 逃逸分析：分析一个对象是否会逃逸到方法或线程之外，别的方法或线程是否会访问该对象
    - 基本行为：分析对象动态作用域
    - 不会逃逸的对象，可进一步优化
      - 栈上分配
      - 同步消除
      - 标量替换
Java编译器 VS C++编译器
- JIT占用用户程序的运行时间
- java语言是动态的类型安全语言，频繁进行动态检查
- java语言虽然没有virtual关键字，但使用虚方法的频率远大于C++，动态选择频率也更大，优化难度更大
- java语言动态可扩展，加载新的类可能改变程序类型的继承关系，很难看见程序全貌，全局优化难以进行
- java语言的对象内存分配在堆上，C++允许多种内存分配方式，Java的内存回收压力更大
- java语言的开发效率更高
- java编译器可进行以运行期性能监控为基础的优化措施，C++只能进行编译期间的优化

0 0