3年前 (2022-02-28)  jvm |   抢沙发  406 
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本文概述了Hotspot JVM用于提高性能的一些优化技术。首先，我将给出一个小例子，说明我在编写一个简单的基准测试时是如何遇到这些优化的。然后用一个简短的例子解释每个优化，最后给出一些如何分析自己代码的指针。

背景

很久以前，我用Java编写了一个简单的度量库，并使用了类似的实现。我希望他们的表现可以与之媲美，尽管有一点优势。在对这两个库进行基准测试后，我发现Java的速度要快得多。对于这样一件简单的事情来说，这没有多大意义，所以我研究了这两个库的运行时行为，并注意到Go实现大部分时间都在等待获取和释放锁。我在Java中没有看到这种行为。原因是由于我的测试设置，Java JIT编译器在运行时优化了代码。在本文中，我想提到Java运行时可能会做的一些优化。

简化示例

我将提供一个度量库的简化和人为实现，以说明JIT编译器的一些优化技术。度量标准库记录仪表。仪表是可以上升或下降的单个值，例如，活动会话。该库可按如下方式使用：

METRICS.gauge("sessions.active", Container.activeSessions());

METRICS.gauge()可以通过几种方式实现，但现在让我们假设gauge（）方法获取锁，更新内部状态，然后释放锁：

public class Gauge {
    public long timesModified = 0;
    public long value = 0;
}

public class Metrics {
    public static final Metrics METRICS = new Metrics();

    private final Lock lock = new ReentrantLock();

    private final Map<String, Gauge> state = new HashMap<>();

    public void gauge(String name, long newValue) {
        try {
            lock.lock();
            Gauge gauge = state.computeIfAbsent(name, n -> new Gauge());
            gauge.timesModified++;
            gauge.value = newValue;
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }

    public Gauge getGauge(name) {
        try {
            lock.lock();
            return state.get(name);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }
}

现在，让我们添加一个性能测试来测量度量标准库的开销。测试只是在循环中多次调用gauge（）方法并打印持续时间（同样，这是一个人为的示例！）：

@Before
public void warmUpJVM() {
  // For example see: https://www.baeldung.com/java-jvm-warmup
}

@Test
public void testPerformanceSingleThreaded() {
    int numIterations = 500000;
    long start = System.currentTimeMillis();

    for (int i = 0; i < numIterations; i++) {
        METRICS.gauge("test.metric", i);
    }

    Gauge gauge = METRICS.getGauge("test.metric")
    assertThat(gauge.getTimesCalled()).isEqualTo(numIterations);
    assertThat(gauge.getValue()).isEqualTo(499999);

    long duration = System.currentTimeMillis() - start;
    System.out.println(String.format("Java %d iterations took = %d ms", numIterations, duration));
}

测试运行得非常快。想象一下，您还拥有这个库的Go实现。如果你建立了这个，输出结果很可能如下所示：

Java 500000 iterations took 30ms;
Golang 500000 iterations took 210ms;

为什么差别会这么大？经过一些调查，JVM似乎在运行时对代码进行了优化，而编译后的Golang代码则完全按照要求执行，并在每次迭代中获取锁。Golang这样做是因为它直接编译为本机代码。另一方面，Java虚拟机解释字节码，字节码可以进一步优化。

JIT优化

以下几节将讨论openjdk JVM的一些优化。这是Java源代码如何编译和执行的简要概述：

Java源代码被编译成字节码。字节码是一种可以由虚拟机解释的中间格式。

当JVM启动时，它会解释字节码并执行它。

JVM或JIT编译器监视运行时经常使用的字节码，即所谓的“热”代码。热代码可以进一步优化并编译成比解释快得多的平台本机代码。

内联

内联（Inlining）是最简单但应用最广泛的技术之一。它用方法体替换方法调用。这减少了方法调用的开销。

public long multiply(long x, long y) {
    return x * y;
}

public void calculator() {
    long result = multiply(10, 20);
}

乘法将是内联的最佳选择：

public void calculator() {
    long result = 10 * 20;
}

锁粗化

JVM可以在运行时检测到在循环中调用了锁。然后，它可以决定自动重写代码，以便每n次迭代只获取一次锁，从而减少开销。这种技术被称为“锁粗化”。下面的代码给出了一个大概的想法，说明了这是如何实现的（注意，可以！）看：

// Runtime version of the gauge() method after lock coarsening
public void gauge(String eventName, long newValue) {
    Gauge gauge = state.computeIfAbsent(name, n -> new Gauge());
    gauge.timesModified++;
    gauge.value = newValue;
}

// Possible runtime version of the loop inside the test
METRICS.lock.lock();
try {
    for (int i = 0; i < 20; i++) {
        METRICS.gauge("test.metric", i);
    }
} finally {
    METRICS.lock.unlock();
}

METRICS.lock.lock();
try {
    for (int i = 20; i < 40; i++) {
        METRICS.gauge("test.metric", i);
    }
} finally {
    METRICS.lock.unlock();
}
...
METRICS.lock.lock();
try {
    for (int i = 499960; i < numIterations; i++) {
        METRICS.gauge("test.metric", i);
    }
} finally {
    METRICS.lock.unlock();
}

锁粗化也适用于在一行中多次使用锁的代码。例如，在同一对象上调用多个同步方法时。编译器可以选择只执行一次，而不是释放并重新获取锁。

下面的代码让您了解这可能是什么样子：

lock.lock();
//do something
lock.unlock();

lock.lock();
//do another thing
lock.unlock();

这有时可以转化为：

lock.lock();
//do something
//do another thing
lock.unlock();

循环展开

如果必须在代码中多次执行同一操作，则使用循环。在每次迭代结束时，CPU需要跳回循环的开始。跳转对于CPU来说可能是一个代价高昂的操作，类似于缓存未命中，这意味着必须转到主内存。

JIT编译器可以通过展开“热代码”中的循环来优化它们。一个简单的循环：

for(int i = 0; i < numIterations; i++) {
    METRICS.gauge("test.metric", i);
}

可以按如下方式展开：

for(int i = 0; i < numIterations; i += 5) {
    METRICS.gauge("test.metric", i);
    METRICS.gauge("test.metric", i+1);
    METRICS.gauge("test.metric", i+2);
    METRICS.gauge("test.metric", i+3);
    METRICS.gauge("test.metric", i+4);
}

展开循环的主要好处是更少的跳跃，从而允许更高效的执行。

逃逸分析

JVM使用的另一种技术是逃逸分析。它本身并不是一种优化，但它使锁省略和标量替换等其他优化成为可能。

在转义分析期间，JVM会检查实际使用对象的位置。对象的分析结果可以是：

  1. GlobalEscape——对象离开当前方法，可能还有线程。（例如：对象从方法返回，存储在字段中）
  2. ArgEscape——该对象被传递给其他被调用的方法，但它不会像具有state GlobalEscape的对象那样逃逸。
  3. NoEscape——对象是局部的，不会“转义”方法。

标量置换

当对象具有状态NoEscape时，JIT编译器有时可以选择不分配对象，而是将对象的字段视为局部变量。对象的字段通常也可以存储在CPU寄存器中，从而使其速度更快。

下面的代码包含一个非常简单且精心设计的示例，其中方法newId（）创建一个永远不会离开newId（）范围的对象。这将被归类为NoEscape。

public class IdGenerator {
    private long seed = System.nanoTime();

    public long getId() {
        return seed;
    }
}

public class IdUtil {
    public static long newId() {
        IdGenerator generator = new IdGenerator();
        return generator.getId();
    }
}

在这种情况下，编译器可以选择不分配IdGenerator对象，而只是将seed的值放入寄存器中，并使用该值执行getId（）方法。这比内存访问快得多。未分配的重写代码可能如下所示：

public class IdUtil {
    public static long newId() {
        return System.nanoTime();
    }
}

锁省略

转义分析还支持锁省略。当JVM看到锁只能从一个线程访问时，它可以完全移除锁！

我们的测试在循环中多次调用度量库。这意味着在我们的单线程性能测试中，锁可能会被优化掉！这显然对性能有好处，但也意味着我们的测试毫无价值，因为在生产环境中，度量库可能是从不同的线程而不是在循环中调用的。

在Java StringBuilder的早期，由于StringBuffer是同步的，所以它的性能比StringBuffer好。由于转义分析和锁省略等技术，今天的性能差异要小得多。StringBuffer对象通常不会转义到其他线程，可以省略同步。Vector和ArrayList也是如此。

检查JIT行为

如果想更深入地了解JVM的功能，可以通过分析热点JVM的运行时行为来实现。

参数-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+TraceClassLoading -XX:+LogCompilation指示JVM将JIT操作写入日志文件。该日志文件名为hotspot_pid20172。记录pid后的数字是流程标识符。这个文件包含大量解释JVM正在做什么的XML。

这个文件可以用JITWatch打开。JITWatch（https://github.com/AdoptOpenJDK/jitwatch）有一个用户界面，可以显示：

  • 内联决策
  • JIT编译时间表
  • 字节码大小和本机代码大小
  • 例如，“内联故障原因”的顶级列表
  • 内联方法大小、编译时间等的直方图。
  • 消除分配报告（标量替换）
  • 优化锁报告
  • 源代码→ 字节码→ 装配

下图显示了用户界面：

JVM是如何优化代码的

编写benchmarks基准

如果您决定编写基准benchmarks测试，我强烈建议您使用JMH（Java微基准测试工具）。JMH是由与JVM本身相同的开发人员构建的。它负责预热JVM，并有助于减少编写良好基准测试的一些陷阱。

让我们看看是否可以使用JMH验证JIT编译器标量优化。

@Warmup(iterations = 3, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 3, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(3)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
public class JITBenchmark {

    public class IdGenerator {
        private long seed = System.nanoTime();

        public long getId() {
            return seed;
        }
    }

    @Benchmark
    public long scalarReplacement() {
        IdGenerator idGenerator = new IdGenerator();
        return idGenerator.getId();
    }

}

当使用-prof gc运行此测试时，基准会打印分配率和gc计数：

Benchmark                                           Mode  Cnt   Score    Error   Units
JITBenchmark.scalarReplacement                      avgt    9  19.110 ±  1.007   ns/op
JITBenchmark.scalarReplacement:·gc.alloc.rate       avgt    9  ≈ 10⁻⁴           MB/sec
JITBenchmark.scalarReplacement:·gc.alloc.rate.norm  avgt    9  ≈ 10⁻⁵             B/op
JITBenchmark.scalarReplacement:·gc.count            avgt    9     ≈ 0           counts

如您所见，没有分配任何对象。

您可以查看此存储库，自己测试它：

git clone https://github.com/toefel18/jmh-jit.git
cd jmh-jit
mvn clean install
java -jar target/benchmarks.jar -prof gc

如果你想更多地了解JMH，一个好的起点是：oracle.com/technical-resources/articles/java/architect-benchmarking.html 和 shipilev.net/jvm/anatomy-quarks/18-scalar-replacement

结论

JIT编译器有许多很酷的技术可以在运行时优化Java代码。这是具有字节码的虚拟机优于机器代码的优势。通常你不必担心正在使用的优化，你可以享受更快的执行速度。然而，如果你曾经像我一样编写过一个幼稚的基准测试，你可能会遇到它们。这可能会让你误以为它的性能比在生产中要高得多。

本文的另一个优点是，过早地优化代码不太可能像JIT编译器应用的优化那样有效；首先编写干净的代码。

  
 

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