Java 编译与优化

Java 编译与优化

Java 的编译器有三类

1. 前端编译器，将 .java 文件编译为 .class 文件
   • Javac、ECJ
2. 运行时编译器，JIT
   • HotSpot 的 C1、C2 编译器
3. AOT（Ahead Of Time Compiler），直接将 Java 代码编译为本地可执行文件
   • GCJ（GNU Compiler for the Java）、Excelsior JET

下面简要介绍下 Java 的编译与优化

graph TB A[Java 编译与优化] B[javac JIT AOT] C[Java 特性] D[伪泛型<br/>陷阱] E[装箱陷阱] F[-128 127] G[运行时优化 C1 C2] I[栈顶采样<br/>执行计数] J[Java<br/>vs<br/>C++] K[条件编译] L[调用&回边] M[逃逸分析] N[分支频率<br/>剪枝] A --> B A --> C C --> D C --> E C --> F A --> G G --> I G --> J E --> F C --> K I --> L G --> M J --> N

目录

• Java 编译与优化
  • 编译与优化
    • 词法 & 语法分析
      • 语法糖
        • 泛型
        • 泛型陷阱
        • 自动装箱 & 循环遍历
        • 条件编译
      • 注解处理
    • 运行时优化
      • 栈上替换
        • 常见编译优化技术
      • 编译性能对比

编译与优化

词法 & 语法分析

几乎是所有编译器的第一步，经过这一步，编译器可以生成初始语法树，因为注解的存在，最终语法树的生成在注解处理之后

语法糖

泛型

Java 的泛型是伪泛型

C++ 中的模板是泛型的一种形式，编译时不同类型的泛型参数会促使模板生成新的代码，这种通过类型膨胀的形式实现的泛型是真实泛型

Java 的泛型只展现在代码中，编译成字节码后泛型信息就已经丢失了（底层使用 Object 引用实际对象，实际使用时会有强制类型转换的过程），下面两行代码在相同的 java 文件中时是无法通过编译的，因为 class 文件中不允许出现签名相同的函数（此时泛型信息已经丢失）

public void method(List<String>  list) { ... }
public void method(List<Integer> list) { ... }

在 C++ 中，上面的两个函数在编译时的签名是不同的，但在 Java 的 class 文件中，这两个函数的签名相同，故编译器报错

泛型陷阱

class 格式规定，只要描述符不完全一致的两个方法就可以共存

Java 中类型的描述符是包含返回值的，也就是说只要修改上面那两个方法中的返回值，这两个方法就可以共存，这是设计中的 缺陷，虽然对程序的正常运行没有影响，但违反了返回值不参与重载的规定

Java 新标准中提出了一些新的规范来减少这种情况对语言的影响，如 Signature 等

自动装箱 & 循环遍历

拆箱与装箱的陷阱

public static void main(String[] args) {
    Integer a = 1;
    Integer b = 2;
    Integer c = 3;
    Integer d = 3;
    Integer e = 321;
    Integer f = 321;
    Long g = 3L;
    System.out.println(c == d); // true，Java的==比的是引用地址，小整数有缓存故地址相同
    System.out.println(e == f); // false，默认情况下 Java 缓存 -128~127 之间的所有整数
    System.out.println(c == (a + b)); // true，有运算符，故先拆箱后比较
    System.out.println(c.equals(a + b)); // true，同类比较
    System.out.println(g == (a + b)); // true，包装类的 == 只会在遇到算术运算符时拆箱
    // Java API 中对 Long 中equals的定义为：
    // The result is true if and only if the argument is not null and is a Long object 
    // that contains the same long value as this object.
    System.out.println(g.equals(a + b)); // false，异类比较，equals不处理类型转换，故long!=int 
}

条件编译

Java 的条件编译很简单，只能使用 if 且 if 的条件必须为常量，编译后 class 文件中只会留下满足需求的语句块

注解处理

JDK 5 之后 Java 提供了对注解的支持，Java 支持编译时注解和运行时注解，使用编译时注解我们可以干涉编译器的行为

运行时优化

部分商用虚拟机中 Java 程序最开始执行时使用解释器进行解释执行，如果发现一块代码执行频繁，JVM 会使用 JIT （即时编译）对其进行编译，转化为平台相关的机器码并进行各种优化以提高执行效率

graph LR A[解释器<br/>Interperter] B[编译器<br/>C1 & C2] A -->|即时编译 JIT|B B -->|<b>逆优化</b> 尝试优化失败时回退| A

HotSpot 有两个即时编译器，分别称为 Client Compiler 和 Server Compiler，或者简称 C1 和 C2 编译器，JVM 会根据运行模式选择不同的编译器，用户可以通过 -client 或者 -server 指定编译器。当然也可以强制禁止 JVM 使用运行时编译器，JVM 全程使用解释方式运行

栈上替换

OSR（On Stack Replacement），JIT 编译并优化某个方法的形象说法，优化的方法都位于栈，方法优化即替换已有的解释执行方法，即栈上替换

判断一个函数是不是热点代码片段有两种方式：基于采样的热点探测和基于计数器的热点探测。前者 JVM 周期性的检查栈顶函数类型，后者 JVM 会为每一个函数维护一个计算器，后者更精确严谨些

HotSpot 使用第二种方式并使用了两类计数器：

1. 方法调用计数器
   • C1 下函数默认被调用 1500 则执行优化，C2 为 10000 次
   • 方法计数器在一个时间间隔内会被减半，称之为计数器热度衰减，所以在一段时间内未被优化的函数依旧不会被优化
2. 回边计数器
   • 统计一个方法中循环体代码执行的次数

当前大部分 JVM 设计都把代码的优化重心放在了 JIT 上，除非特殊情况，不要关闭 JIT

常见编译优化技术

JIT 编译使用了大量编译技术，本文不做过多介绍，下面仅给出几个便于理解的方法

1. 公共子表达式消除，如果一个表达式 E 已经计算过了，后面就不再重复计算
2. 数组边界检查消除
3. 方法内联
4. 逃逸分析，如果能证明一个方法内的对象不会被对象之外的实体（其他对象或者线程）访问到，即对象没有逃逸当前方法，则可以对这个对象进行深度的优化，例如将对象分配到栈上，避免垃圾回收等机制造成的消耗
   • 这项技术暂时好像还不稳定，尽量不要在生产环境开启
   • C++ 不存在这个问题，因为 C++ 需要程序员自己管理内存空间

编译性能对比

C++ 为静态编译语言而 Java 为动态编译，二者编译器各有优劣。C++ 可以在编译时进行比较耗时的优化而Java却不行，因为这样会影响服务性能；Java 可以搜集大量运行时信息（调用频率、分支频率预测、裁剪未选中分支等等）来优化代码但 C++ 不行。其他对比可以查阅周志明《深入理解 Java 虚拟机》