當(dāng)我們?cè)趯懘a時(shí)，一個(gè)方法內(nèi)部的行數(shù)自然是越少越好，這樣邏輯清晰、方便閱讀，其實(shí)好處遠(yuǎn)不止如此，通過即時(shí)編譯，甚至可以提高執(zhí)行時(shí)的性能，今天就讓我們好好來了解一下其中的原理。

簡介

當(dāng) JVM 的初始化完成后，類在調(diào)用執(zhí)行過程中，執(zhí)行引擎會(huì)把字節(jié)碼轉(zhuǎn)為機(jī)器碼，然后在操作系統(tǒng)中才能執(zhí)行。在字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼的過程中，虛擬機(jī)中還存在著一道編譯，那就是 即時(shí)編譯 。

最初，JVM 中的字節(jié)碼是由解釋器（ Interpreter ）完成編譯的，當(dāng)虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)某個(gè)方法或代碼塊的運(yùn)行特別頻繁的時(shí)候，就會(huì)把這些代碼認(rèn)定為 熱點(diǎn)代碼 。

為了提高熱點(diǎn)代碼的執(zhí)行效率，在運(yùn)行時(shí)，即時(shí)編譯器（JIT，Just In Time）會(huì)把這些代碼編譯成與本地平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼，并進(jìn)行各層次的優(yōu)化，然后保存到內(nèi)存中。

分類

在 HotSpot 虛擬機(jī)中，內(nèi)置了兩種 JIT，分別為 C1 編譯器 和 C2 編譯器 ，這兩個(gè)編譯器的編譯過程是不一樣的。

C1 編譯器

C1 編譯器是一個(gè)簡單快速的編譯器，主要的關(guān)注點(diǎn)在于局部性的優(yōu)化，適用于執(zhí)行時(shí)間較短或?qū)?dòng)性能有要求的程序，也稱為 Client Compiler ，例如，GUI 應(yīng)用對(duì)界面啟動(dòng)速度就有一定要求。

C2 編譯器

C2 編譯器是為長期運(yùn)行的服務(wù)器端應(yīng)用程序做性能調(diào)優(yōu)的編譯器，適用于執(zhí)行時(shí)間較長或?qū)Ψ逯敌阅苡幸蟮某绦颍卜Q為 Server Compiler ，例如，服務(wù)器上長期運(yùn)行的 Java 應(yīng)用對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行就有一定的要求。

分層編譯

在 Java7 之前，需要根據(jù)程序的特性來選擇對(duì)應(yīng)的 JIT，虛擬機(jī)默認(rèn)采用解釋器和其中一個(gè)編譯器配合工作。

Java7 引入了分層編譯，這種方式綜合了 C1 的啟動(dòng)性能優(yōu)勢(shì)和 C2 的峰值性能優(yōu)勢(shì)，我們也可以通過參數(shù) -client 或者 -server 強(qiáng)制指定虛擬機(jī)的即時(shí)編譯模式。

分層編譯將 JVM 的執(zhí)行狀態(tài)分為了 5 個(gè)層次：

第 0 層：程序解釋執(zhí)行，默認(rèn)開啟性能監(jiān)控功能（Profiling），如果不開啟，可觸發(fā)第二層編譯；

第 1 層：可稱為 C1 編譯，將字節(jié)碼編譯為本地代碼，進(jìn)行簡單、可靠的優(yōu)化，不開啟 Profiling；

第 2 層：也稱為 C1 編譯，開啟 Profiling，僅執(zhí)行帶方法調(diào)用次數(shù)和循環(huán)回邊執(zhí)行次數(shù) profiling 的 C1 編譯；

第 3 層：也稱為 C1 編譯，執(zhí)行所有帶 Profiling 的 C1 編譯；

第 4 層：可稱為 C2 編譯，也是將字節(jié)碼編譯為本地代碼，但是會(huì)啟用一些編譯耗時(shí)較長的優(yōu)化，甚至?xí)鶕?jù)性能監(jiān)控信息進(jìn)行一些不可靠的激進(jìn)優(yōu)化。

對(duì)于 C1 的三種狀態(tài)，按執(zhí)行效率從高至低：第 1 層、第 2層、第 3層。

通常情況下，C2 的執(zhí)行效率比 C1 高出30%以上。

在 Java8 中，默認(rèn)開啟分層編譯， -client 和 -server 的設(shè)置已經(jīng)是無效的了。如果只想開啟 C2，可以關(guān)閉分層編譯（ -XX:-TieredCompilation ），如果只想用 C1，可以在打開分層編譯的同時(shí)，使用參數(shù)： -XX:TieredStopAtLevel=1 。

你可以通過 java -version 命令行可以直接查看到當(dāng)前系統(tǒng)使用的編譯模式：

C:\Users\Administrator>java -versionjava version"1.8.0_45"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, mixed mode)

mixed mode 代表是默認(rèn)的混合編譯模式，除了這種模式外，我們還可以使用 -Xint 參數(shù)強(qiáng)制虛擬機(jī)運(yùn)行于只有解釋器的編譯模式下，這時(shí) JIT 完全不介入工作；也可以使用參數(shù) -Xcomp 強(qiáng)制虛擬機(jī)運(yùn)行于只有 JIT 的編譯模式下。例如：

C:\Users\Administrator>java -Xint -versionjava version"1.8.0_45"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, interpreted mode)C:\Users\Administrator>java -Xcomp -versionjava version"1.8.0_45"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, compiled mode)

觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)

在 HotSpot 虛擬機(jī)中， 熱點(diǎn)探測(cè) 是 JIT 的觸發(fā)標(biāo)準(zhǔn)。

熱點(diǎn)探測(cè)是基于計(jì)數(shù)器的熱點(diǎn)探測(cè)，采用這種方法的虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)方法建立計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)方法的執(zhí)行次數(shù)，如果執(zhí)行次數(shù)超過一定的閾值就認(rèn)為它是“熱點(diǎn)方法” 。

虛擬機(jī)為每個(gè)方法準(zhǔn)備了兩類計(jì)數(shù)器：方法調(diào)用計(jì)數(shù)器（Invocation Counter）和回邊計(jì)數(shù)器（Back Edge Counter）。在確定虛擬機(jī)運(yùn)行參數(shù)的前提下，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器都有一個(gè)確定的閾值，當(dāng)計(jì)數(shù)器超過閾值溢出了，就會(huì)觸發(fā) JIT 編譯。

方法調(diào)用計(jì)數(shù)器

方法調(diào)用計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)方法被調(diào)用的次數(shù)，默認(rèn)閾值在 C1 模式下是 1500 次，在 C2 模式在是 10000 次，可通過 -XX: CompileThreshold 來設(shè)定；而在分層編譯的情況下 -XX: CompileThreshold 指定的閾值將失效，此時(shí)將會(huì)根據(jù)當(dāng)前待編譯的方法數(shù)以及編譯線程數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整。當(dāng)方法計(jì)數(shù)器和回邊計(jì)數(shù)器之和超過方法計(jì)數(shù)器閾值時(shí)，就會(huì)觸發(fā) JIT 編譯器。

回邊計(jì)數(shù)器

回邊計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)一個(gè)方法中循環(huán)體代碼執(zhí)行的次數(shù)，在字節(jié)碼中遇到控制流向后跳轉(zhuǎn)的指令稱為“回邊”（Back Edge），該值用于計(jì)算是否觸發(fā) C1 編譯的閾值，在不開啟分層編譯的情況下，C1 默認(rèn)為 13995，C2 默認(rèn)為 10700，可通過 -XX: OnStackReplacePercentage=N 來設(shè)置；而在分層編譯的情況下， -XX: OnStackReplacePercentage 指定的閾值同樣會(huì)失效，此時(shí)將根據(jù)當(dāng)前待編譯的方法數(shù)以及編譯線程數(shù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整。

建立回邊計(jì)數(shù)器的主要目的是為了觸發(fā) OSR（On StackReplacement）編譯，即棧上編譯。在一些循環(huán)周期比較長的代碼段中，當(dāng)循環(huán)達(dá)到回邊計(jì)數(shù)器閾值時(shí)，JVM 會(huì)認(rèn)為這段是熱點(diǎn)代碼，JIT 編譯器就會(huì)將這段代碼編譯成機(jī)器語言并緩存，在該循環(huán)時(shí)間段內(nèi)，會(huì)直接將執(zhí)行代碼替換，執(zhí)行緩存的機(jī)器語言。

優(yōu)化技術(shù)

JIT 編譯運(yùn)用了一些經(jīng)典的編譯優(yōu)化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)代碼的優(yōu)化，即通過一些例行檢查優(yōu)化，可以智能地編譯出運(yùn)行時(shí)的最優(yōu)性能代碼。主要有兩種： 方法內(nèi)聯(lián) 、 逃逸分析 。

方法內(nèi)聯(lián)

調(diào)用一個(gè)方法通常要經(jīng)歷壓棧和出棧。調(diào)用方法是將程序執(zhí)行順序轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)該方法的內(nèi)存地址，將方法的內(nèi)容執(zhí)行完后，再返回到執(zhí)行該方法前的位置。

這種執(zhí)行操作要求在執(zhí)行前保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)并記憶執(zhí)行的地址，執(zhí)行后要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，并按原來保存的地址繼續(xù)執(zhí)行。因此，方法調(diào)用會(huì)產(chǎn)生一定的時(shí)間和空間方面的開銷（其實(shí)可以理解為一種 上下文切換 的精簡版）。

那么對(duì)于那些方法體代碼不是很大，又頻繁調(diào)用的方法來說，這個(gè)時(shí)間和空間的消耗會(huì)很大。

方法內(nèi)聯(lián)的優(yōu)化行為就是把目標(biāo)方法的代碼復(fù)制到發(fā)起調(diào)用的方法之中，避免發(fā)生真實(shí)的方法調(diào)用。

JVM 會(huì)自動(dòng)識(shí)別熱點(diǎn)方法，并對(duì)它們使用方法內(nèi)聯(lián)進(jìn)行優(yōu)化。我們可以通過 -XX:CompileThreshold 來設(shè)置熱點(diǎn)方法的閾值。但要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，熱點(diǎn)方法不一定會(huì)被 JVM 做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化，如果這個(gè)方法體太大了，JVM 將不執(zhí)行內(nèi)聯(lián)操作。而方法體的大小閾值，我們也可以通過參數(shù)設(shè)置來優(yōu)化：

-XX:MaxFreqInlineSize=N-XX:MaxInlineSize=N

之后我們就可以通過配置 JVM 參數(shù)來查看到方法被內(nèi)聯(lián)的情況：

// 在控制臺(tái)打印編譯過程信息-XX:+PrintCompilation// 解鎖對(duì) JVM 進(jìn)行診斷的選項(xiàng)參數(shù)。默認(rèn)是關(guān)閉的，開啟后支持一些特定參數(shù)對(duì) JVM 進(jìn)行診斷-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions// 將內(nèi)聯(lián)方法打印出來-XX:+PrintInlining

熱點(diǎn)方法的優(yōu)化可以有效提高系統(tǒng)性能，一般我們可以通過以下幾種方式來提高方法內(nèi)聯(lián)：

通過設(shè)置 JVM 參數(shù)來減小熱點(diǎn)閾值或增加方法體閾值，以便更多的方法可以進(jìn)行內(nèi)聯(lián)，但這種方法意味著需要占用更多地內(nèi)存；

在編程中，避免在一個(gè)方法中寫大量代碼，習(xí)慣使用小方法體；

盡量使用 final、private、static 關(guān)鍵字修飾方法，編碼方法因?yàn)槔^承，會(huì)需要額外的類型檢查。

此處就聯(lián)系到了最開始提出的觀點(diǎn)，一個(gè)方法中的內(nèi)容越少，當(dāng)該方法經(jīng)常被執(zhí)行時(shí)，則容易進(jìn)行方法內(nèi)聯(lián)，從而優(yōu)化性能。

逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）是判斷一個(gè)對(duì)象是否被外部方法引用或外部線程訪問的分析技術(shù)，編譯器會(huì)根據(jù)逃逸分析的結(jié)果對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化。

可以通過JVM參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

-XX:+DoEscapeAnalysis 開啟逃逸分析（jdk1.8默認(rèn)開啟）-XX:-DoEscapeAnalysis 關(guān)閉逃逸分析

其具體優(yōu)化方法主要有三種： 棧上分配 、 鎖消除 、 標(biāo)量替換 。

棧上分配

在 Java 中默認(rèn)創(chuàng)建一個(gè)對(duì)象是在堆中分配內(nèi)存的，而當(dāng)堆內(nèi)存中的對(duì)象不再使用時(shí)，則需要通過垃圾回收機(jī)制回收，這個(gè)過程相對(duì)分配在棧中的對(duì)象的創(chuàng)建和銷毀來說，更消耗時(shí)間和性能。

這個(gè)時(shí)候，逃逸分析如果發(fā)現(xiàn)一個(gè)對(duì)象只在方法中使用，就會(huì)將對(duì)象分配在棧上。

但是，HotSpot 虛擬機(jī)目前的實(shí)現(xiàn)導(dǎo)致棧上分配實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，可以說，在 HotSpot 中暫時(shí)沒有實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)優(yōu)化，所以大家可能暫時(shí)無法體會(huì)到這種優(yōu)化（我看的資料顯示在 Java8 中還沒有實(shí)現(xiàn)，如果大家有什么其他的發(fā)現(xiàn)，歡迎留言）。

鎖消除

如果是在單線程環(huán)境下，其實(shí)完全沒有必要使用線程安全的容器，但就算使用了，因?yàn)椴粫?huì)有線程競爭，這個(gè)時(shí)候 JIT 編譯會(huì)對(duì)這個(gè)對(duì)象的方法鎖進(jìn)行鎖消除。例如：

publicstaticString getString(String s1,String s2) {StringBuffer sb= newStringBuffer();sb.append(s1);sb.append(s2);returnsb.toString();}

可以通過JVM參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

-XX:+EliminateLocks 開啟鎖消除（jdk1.8默認(rèn)開啟）-XX:-EliminateLocks 關(guān)閉鎖消除

標(biāo)量替換

逃逸分析證明一個(gè)對(duì)象不會(huì)被外部訪問，如果這個(gè)對(duì)象可以被拆分的話，當(dāng)程序真正執(zhí)行的時(shí)候可能不創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象，而直接創(chuàng)建它的成員變量來代替。將對(duì)象拆分后，可以分配對(duì)象的成員變量在棧或寄存器上，原本的對(duì)象就無需分配內(nèi)存空間了。這種編譯優(yōu)化就叫做標(biāo)量替換。

例如：

publicvoidfoo(){ TestInfo info =newTestInfo(); info.id =1; info.count =99;// to do something}

逃逸分析后，代碼會(huì)被優(yōu)化為：

publicvoidfoo(){ id =1; count =99;// to do something}

可以通過JVM參數(shù)進(jìn)行設(shè)置：

-XX:+EliminateAllocations 開啟標(biāo)量替換（jdk1.8默認(rèn)開啟）-XX:-EliminateAllocations 關(guān)閉就可以了

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