文章目录
- 简介
- JIT编译器
- Tiered Compilation分层编译
- OSR（On-Stack Replacement）
- Deoptimization
- 常见的编译优化举例
- Inlining内联
- Branch Prediction分支预测
- Loop unswitching
- Loop unrolling展开
- Escape analysis逃逸分析
- 总结
简介
小师妹已经学完JVM的简单部分了，接下来要进入的是JVM中比较晦涩难懂的概念，这些概念是那么的枯燥乏味，甚至还有点惹人讨厌，但是要想深入理解JVM，这些概念是必须的，我将会尽量尝试用简单的例子来解释它们，但一定会有人看不懂，没关系，这个系列本不是给所有人看的。
JIT编译器
小师妹:F师兄，我的基础已经打牢了吗？可以进入这么复杂的内容环节了吗？
小师妹不试试怎么知道不行呢？了解点深入内容可以帮助你更好的理解之前的知识。现在我们开始吧。
上次我们在讲java程序的处理流程的时候，还记得那通用的几步吧。
小师妹：当然记得了，编写源代码，javac编译成字节码，加载到JVM中执行。
对，其实在JVM的执行引擎中，有三个部分：解释器，JIT编译器和垃圾回收器。
解释器会将前面编译生成的字节码翻译成机器语言，因为每次都要翻译，相当于比直接编译成机器码要多了一步，所以java执行起来会比较慢。
为了解决这个问题，JVM引入了JIT(Just-in-Time)编译器，将热点代码编译成为机器码。
Tiered Compilation分层编译
小师妹你知道吗？在JDK8之前，HotSpot VM又分为三种。分别是 client VM, server VM, 和 minimal VM，分别用在客户端，服务器，和嵌入式系统。
但是随着硬件技术的发展，这些硬件上面的限制都不是什么大事了。所以从JDK8之后，已经不再区分这些VM了，现在统一使用VM的实现来替代他们。
小师妹，你觉得Client VM和Server VM的本质区别在哪一部分呢？
小师妹，编译成字节码应该都是使用javac，都是同样的命令，字节码上面肯定是一样的。难点是在执行引擎上面的不同？
说的对，因为Client VM和Server VM的出现，所以在JIT中出现了两种不同的编译器，C1 for Client VM， C2 for Server VM。
因为javac的编译只能做少量的优化，其实大量的动态优化是在JIT中做的。C2相对于C1，其优化的程度更深，更加激进。
为了更好的提升编译效率，JVM在JDK7中引入了分层编译Tiered compilation的概念。
对于JIT本身来说，动态编译是需要占用用户内存空间的，有可能会造成较高的延迟。
对于Server服务器来说，因为代码要服务很多个client，所以磨刀不误砍柴工，短暂的延迟带来永久的收益，听起来是可以接受的。
Server端的JIT编译也不是立马进行的，它可能需要收集到足够多的信息之后，才进行编译。
而对于Client来说，延迟带来的性能影响就需要进行考虑了。和Server相比，它只进行了简单的机器码的编译。
为了满足不同层次的编译需求，于是引入了分层编译的概念。
大概来说分层编译可以分为三层：
- 第一层就是禁用C1和C2编译器，这个时候没有JIT进行。
- 第二层就是只开启C1编译器，因为C1编译器只会进行一些简单的JIT优化，所以这个可以应对常规情况。
- 第三层就是同时开启C1和C2编译器。
在JDK7中，你可以使用下面的命令来开启分层编译：
-XX:+TieredCompilation
而在JDK8之后，恭喜你，分层编译已经是默认的选项了，不用再手动开启。
OSR（On-Stack Replacement）
小师妹：F师兄，你刚刚讲到Server的JIT不是立马就进行编译的，它会等待一定的时间来搜集所需的信息，那么代码不是要从字节码转换成机器码？
对的，这个过程就叫做OSR（On-Stack Replacement）。为什么叫OSR呢？我们知道JVM的底层实现是一个栈的虚拟机，所以这个替换实际上是一系列的Stack操作。
上图所示，m1方法从最初的解释frame变成了后面的compiled frame。
Deoptimization
这个世界是平衡的，有阴就有阳，有优化就有反优化。
小师妹：F师兄，为什么优化了之后还要反优化呢？这样对性能不是下降了吗？
通常来说是这样的，但是有些特殊的情况下面，确实是需要进行反优化的。
下面是比较常见的情况：
- 需要调试的情况
如果代码正在进行单个步骤的调试，那么之前被编译成为机器码的代码需要反优化回来，从而能够调试。
- 代码废弃的情况
当一个被编译过的方法，因为种种原因不可用了，这个时候就需要将其反优化。
- 优化之前编译的代码
有可能出现之前优化过的代码可能不够完美，需要重新优化的情况，这种情况下同样也需要进行反优化。
常见的编译优化举例
除了JIT编译成机器码之外，JIT还有一下常见的代码优化方式，我们来一一介绍。
Inlining内联
举个例子：
int a = 1;int b = 2;int result = add(a, b);...public int add(int x, int y) { return x + y; }int result = a + b; //内联替换
上面的add方法可以简单的被替换成为内联表达式。
Branch Prediction分支预测
通常来说对于条件分支，因为需要有一个if的判断条件，JVM需要在执行完毕判断条件，得到返回结果之后，才能够继续准备后面的执行代码，如果有了分支预测，那么JVM可以提前准备相应的执行代码，如果分支检查成功就直接执行，省去了代码准备的步骤。
比如下面的代码：
// make an array of random doubles 0..1double[] bigArray = makeBigArray();for (int i = 0; i < bigArray.length; i++){
double cur = bigArray[i];
if (cur > 0.5) { doThis();} else { doThat();}}
Loop unswitching
如果我们在循环语句里面添加了if语句，为了提升并发的执行效率，可以将if语句从循环中提取出来：
int i, w, x[1000], y[1000];
for (i = 0; i < 1000; i++) {x[i] += y[i];if (w) y[i] = 0;
}
可以改为下面的方式：
int i, w, x[1000], y[1000];
if (w) {for (i = 0; i < 1000; i++) { x[i] += y[i]; y[i] = 0;}
} else {for (i = 0; i < 1000; i++) { x[i] += y[i];}
}
Loop unrolling展开
在循环语句中，因为要不断的进行跳转，所以限制了执行的速度，我们可以对循环语句中的逻辑进行适当的展开：
int x;
for (x = 0; x < 100; x++)
{ delete(x);
}
转变为：
int x;
for (x = 0; x < 100; x += 5 )
{ delete(x); delete(x + 1); delete(x + 2); delete(x + 3); delete(x + 4);
}
虽然循环体变长了，但是跳转次数变少了，其实是可以提升执行速度的。
Escape analysis逃逸分析
什么叫逃逸分析呢？简单点讲就是分析这个线程中的对象，有没有可能会被其他对象或者线程所访问，如果有的话，那么这个对象应该在Heap中分配，这样才能让对其他的对象可见。
如果没有其他的对象访问，那么完全可以在stack中分配这个对象，栈上分配肯定比堆上分配要快，因为不用考虑同步的问题。
我们举个例子：
public static void main(String[] args) {example();
}
public static void example() {Foo foo = new Foo(); //allocBar bar = new Bar(); //allocbar.setFoo(foo);
}}class Foo {}class Bar {
private Foo foo;
public void setFoo(Foo foo) {this.foo = foo;
}}
上面的例子中，setFoo引用了foo对象，如果bar对象是在heap中分配的话，那么引用的foo对象就逃逸了，也需要被分配在heap空间中。
但是因为bar和foo对象都只是在example方法中调用的，所以，JVM可以分析出来没有其他的对象需要引用他们，那么直接在example的方法栈中分配这两个对象即可。
逃逸分析还有一个作用就是lock coarsening。
为了在多线程环境中保证资源的有序访问，JVM引入了锁的概念，虽然锁可以保证多线程的有序执行，但是如果实在单线程环境中呢？是不是还需要一直使用锁呢？
比如下面的例子：
public String getNames() { Vector<String> v = new Vector<>(); v.add("Me"); v.add("You"); v.add("Her"); return v.toString();}
Vector是一个同步对象，如果是在单线程环境中，这个同步锁是没有意义的，因此在JDK6之后，锁只在被需要的时候才会使用。
这样就能提升程序的执行效率。
总结
本文介绍了JIT的原理和一些基本的优化方式。后面我们会继续探索JIT和JVM的秘密，敬请期待。
本文作者：flydean程序那些事
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