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Java對(duì)象竟然會(huì)在棧上分配內(nèi)存？

 1 逃逸分析

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JVM中高深的優(yōu)化技術(shù)，如同類(lèi)繼承關(guān)系分析，該技術(shù)并非直接去優(yōu)化代碼，而是一種為其他優(yōu)化措施提供依據(jù)的分析技術(shù)。

分析對(duì)象的動(dòng)態(tài)作用域，當(dāng)某對(duì)象在方法里被定義后，它可能

  • 方法逃逸

被外部方法引用，例如作為參數(shù)傳遞給其他方法

  • 線程逃逸

被外部線程訪問(wèn)，例如賦值給可以在其他線程中訪問(wèn)的實(shí)例變量

所以 Java 對(duì)象由低到高的逃逸程度即為：

  • 不逃逸 =》
  • 方法逃逸 =》
  • 線程逃逸

若能確定一個(gè)對(duì)象

  • 不會(huì)逃逸到方法或線程外(即其它方法、線程無(wú)法訪問(wèn)到該對(duì)象)
  • 或逃逸程度較低(只逃逸出方法而不逃逸出線程)

則可為該對(duì)象實(shí)例采取不同程度的優(yōu)化方案。

2 優(yōu)化方案

2.1 棧上分配(Stack Allocations)

由于復(fù)雜度等原因，HotSpot中目前暫時(shí)還沒(méi)有做這項(xiàng)優(yōu)化，但一些其他的虛擬機(jī)(如Excelsior JET)使用了該優(yōu)化。

JVM的GC模塊會(huì)回收堆中不再使用的對(duì)象，但如下回收動(dòng)作

  • 標(biāo)記篩選出可回收對(duì)象
  • 回收和整理內(nèi)存

都需耗費(fèi)大量資源。

若確定一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸出線程，那讓該對(duì)象在棧上分配內(nèi)存就是個(gè)不錯(cuò)主意，對(duì)象所占用內(nèi)存空間就可隨棧幀出棧而銷(xiāo)毀。

在一般應(yīng)用中，完全不會(huì)逃逸的局部對(duì)象和不會(huì)逃逸出線程的對(duì)象所占比例很大，若能使用棧上分配，則大量對(duì)象就會(huì)隨方法結(jié)束而自動(dòng)銷(xiāo)毀，GC系統(tǒng)壓力會(huì)下降很多。

棧上分配可支持方法逃逸，但不能支持線程逃逸。

2.2 標(biāo)量替換(Scalar Replacement)

2.2.1 標(biāo)量

若一個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)無(wú)法再分解成更小數(shù)據(jù)，JVM中的原始數(shù)據(jù)類(lèi)型(如 int、long 等數(shù)值類(lèi)型及 reference 類(lèi)型)都不能再進(jìn)一步分解，這些數(shù)據(jù)即為標(biāo)量。

2.2.2 聚合量

若一個(gè)數(shù)據(jù)可繼續(xù)分解，則稱(chēng)為聚合量(Aggregate)，比如 Java 對(duì)象就是聚合量。

2.2.3 標(biāo)量替換

把一個(gè)Java對(duì)象拆散，根據(jù)程序訪問(wèn)情況，將其用到的成員變量恢復(fù)為原始類(lèi)型來(lái)訪問(wèn)。

假如逃逸分析能證明一個(gè)對(duì)象不會(huì)被方法外部訪問(wèn)，并且該對(duì)象可被分解，那么程序真正執(zhí)行時(shí)將可能不去創(chuàng)建該對(duì)象，而改為直接創(chuàng)建它的若干個(gè)被這方法使用的成員變量。

將對(duì)象拆分后：

  • 可讓對(duì)象的成員變量在棧上 (棧上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，很大概率會(huì)被JVM分配至物理機(jī)器的高速寄存器中存儲(chǔ))分配和讀寫(xiě)
  • 為后續(xù)進(jìn)步優(yōu)化創(chuàng)建條件

2.2.4 適用場(chǎng)景

標(biāo)量替換可視為棧上分配一種特例，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單(不用考慮對(duì)象完整結(jié)構(gòu)的分配)，但對(duì)逃逸程度的要求更高，它不允許對(duì)象逃逸出方法范圍內(nèi)。

2.3 同步消除(Synchronization Elimination)

線程同步是個(gè)相對(duì)耗時(shí)的過(guò)程，若逃逸分析能確定一個(gè)變量不會(huì)逃逸出線程，即不會(huì)被其他線程訪問(wèn)，則該變量的讀寫(xiě)肯定不會(huì)有線程競(jìng)爭(zhēng)， 也可安全消除對(duì)該變量實(shí)施的同步措施。

逃逸分析的論文在1999年就已發(fā)表，但到JDK 6，HotSpot才開(kāi)始初步支持逃逸分析，至今該也尚未成熟，主要因?yàn)樘右莘治龅挠?jì)算成本高到無(wú)法保證帶來(lái)的性能收益會(huì)高于它的消耗。要百分百準(zhǔn)確判斷一個(gè)對(duì)象是否會(huì)逃逸，需進(jìn)行一系列復(fù)雜數(shù)據(jù)流敏感的過(guò)程間分析，才能確定程序各個(gè)分支執(zhí)行時(shí)對(duì)此對(duì)象的影響。過(guò)程間分析這種大壓力的分析算法正是即時(shí)編譯的弱項(xiàng)。試想，若逃逸分析完畢后發(fā)現(xiàn)幾乎找不到幾個(gè)不逃逸的對(duì)象， 那這些運(yùn)行期耗用的時(shí)間就白費(fèi)了，所以目前JVM只能采用不那么準(zhǔn)確，但時(shí)間壓力相對(duì)較小的算法來(lái)完成分析。

C和C++原生支持棧上分配(不使用new即可)，靈活運(yùn)用棧內(nèi)存方面，Java的確是弱勢(shì)群體。

在現(xiàn)在仍處于實(shí)驗(yàn)階段的Valhalla項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了新的inline關(guān)鍵字用于定義Java的內(nèi)聯(lián)類(lèi)型， 對(duì)標(biāo)C#的值類(lèi)型。有了該標(biāo)識(shí)與約束，以后逃逸分析做起來(lái)就會(huì)簡(jiǎn)單很多。

3 代碼實(shí)戰(zhàn)驗(yàn)證

3.1 全無(wú)優(yōu)化的代碼

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public int test(int x) {  
    2. 
  
  
  
  
  2.   int xx = x + 2;  
    3. 
  
  
  
  
  3.   Point p = new Point(xx, 42);  
    4. 
  
  
  
  
  4.   return p.getX();  
    5. 
  
  
  
  
  5. } 
    6.

3.2 優(yōu)化step1：內(nèi)聯(lián)構(gòu)造器和getX()方法

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public int test(int x) {  
    2. 
  
  
  
  
  2.   int xx = x + 2; 
    3. 
  
  
  
  
  3.   // 在堆中分配P對(duì)象  
    4. 
  
  
  
  
  4.   Point p = point_memory_alloc(); 
    5. 
  
  
  
  
  5.   // Point構(gòu)造器被內(nèi)聯(lián)后   
    6. 
  
  
  
  
  6.   p.x = xx;  
    7. 
  
  
  
  
  7.   p.y = 42; 
    8. 
  
  
  
  
  8.   // Point::getX()被內(nèi)聯(lián)后  
    9. 
  
  
  
  
  9.   return p.x; 
    10. 
  
  
  
  
  10. } 
    11.

優(yōu)化step2：標(biāo)量替換

逃逸分析后，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)test()方法的范圍內(nèi)Point對(duì)象實(shí)例不會(huì)發(fā)生任何程度逃逸， 便可對(duì)它進(jìn)行標(biāo)量替換：把其內(nèi)部的x和y直接置換出來(lái)，分解為test()方法內(nèi)的局部變量，從而避免了Point對(duì)象實(shí)例的創(chuàng)建

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public int test(int x) {  
    2. 
  
  
  
  
  2.    int xx = x + 2;  
    3. 
  
  
  
  
  3.    int px = xx;  
    4. 
  
  
  
  
  4.    int py = 42  
    5. 
  
  
  
  
  5.    return px;  
    6. 
  
  
  
  
  6. } 
    7.

step3：無(wú)效代碼消除

數(shù)據(jù)流分析，發(fā)現(xiàn)py的值其實(shí)對(duì)方法不會(huì)造成任何影響，那就可以放心地去做無(wú)效代碼消除得到最終優(yōu)化結(jié)果，如下所示：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public int test(int x) {  
    2. 
  
  
  
  
  2.   return x + 2;  
    3. 
  
  
  
  
  3. } 
    4.

觀察測(cè)試結(jié)果，實(shí)施逃逸分析后的程序在MicroBenchmarks中往往能得到不錯(cuò)的成績(jī)，但在實(shí)際應(yīng)用程序中，尤其是大型程序中反而發(fā)現(xiàn)實(shí)施逃逸分析可能出現(xiàn)效果不穩(wěn)定，或分析過(guò)程耗時(shí)但卻無(wú)法有效判別出非逃逸對(duì)象而導(dǎo)致性能(即時(shí)編譯的收益)下降，所以曾經(jīng)在很長(zhǎng)的一段時(shí)間，即使是服務(wù)端編譯器，也默認(rèn)不開(kāi)啟逃逸分析(從JDK 6 Update 23開(kāi)始，服務(wù)端編譯器中開(kāi)始才默認(rèn)開(kāi)啟逃逸分析。)，甚至在某些版本(如JDK 6 Update 18)中還曾完全禁止這項(xiàng)優(yōu)化，一直到JDK 7時(shí)這項(xiàng)優(yōu)化才成為服務(wù)端編譯器默認(rèn)開(kāi)啟的選項(xiàng)。

若有需要或確認(rèn)對(duì)程序有益，可使用參數(shù)：

  • -XX：+DoEscapeAnalysis 手動(dòng)開(kāi)啟逃逸分析

開(kāi)啟后可通過(guò)參數(shù)：

  • -XX：+PrintEscapeAnalysis 查看分析結(jié)果

有逃逸分析支持后，用戶可使用如下參數(shù)：

  • -XX：+EliminateAllocations 開(kāi)啟標(biāo)量替換
  • +XX：+EliminateLocks 開(kāi)啟同步消除
  • -XX：+PrintEliminateAllocations 查看標(biāo)量的替換情況

讓我們一起期待該JIT優(yōu)化技術(shù)之逃逸分析的發(fā)展。

參考

《深入理解 Java 虛擬機(jī)》

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