JVM进阶 -- 浅谈字段访问优化

在实际中，Java程序中的对象或许 本身就是逃逸 的，或许因为 方法内联不够彻底 而被即时编译器 当成是逃逸 的，这两种情况都将

导致即时编译器 无法进行标量替换 ，这时，针对对象字段访问的优化显得更为重要。

static int bar(Foo o, int x) {
    o.a = x;
    return o.a;
}

1. 对象o是传入参数， 不属于逃逸分析的范围 （JVM中的逃逸分析针对的是 新建对象 ）
2. 该方法会将所传入的int型参数x的值存储至实例字段Foo.a中，然后再读取并返回同一字段的值
3. 这段代码涉及 两次 内存访问操作：存储和读取实例字段Foo.a
4. 代码可以手工优化成如下

static int bar(Foo o, int x) {
    o.a = x;
    return x;
}

即时编译器也能作出类似的 自动优化

字段读取优化

1. 即时编译器会优化 实例字段 和 静态字段 的访问，以 减少总的内存访问次数
2. 即时编译器将 沿着控制流 ，缓存各个字段 存储节点 将要存储的值，或者字段 读取节点 所得到的值
   • 当即时编译器 遇到对同一字段的读取节点 时，如果缓存值还没有失效，那么将读取节点 替换 为该缓存值
   • 当即时编译器 遇到对同一字段的存储节点 时，会 更新 所缓存的值
     • 当即时编译器遇到 可能更新 字段的节点时，它会采取 保守 的策略， 舍弃所有的缓存值
     • 方法调用节点 ：在即时编译器看来，方法调用会执行 未知代码
     • 内存屏障节点 ：其他线程可能异步更新了字段

样例1

static int bar(Foo o, int x) {
    int y = o.a + x;
    return o.a + y;
}

实例字段Foo.a被读取两次，即时编译器会将第一次读取的值缓存起来，并且 替换 第二次的字段读取操作，以 节省 一次内存访问

static int bar(Foo o, int x) {
    int t = o.a;
    int y = t + x;
    return t + y;
}

样例2

static int bar(Foo o, int x) {
    o.a = 1;
    if (o.a >= 0)
        return x;
    else
        return -x;
}

字段读取节点被替换成一个 常量 ，进一步触发更多的优化

static int bar(Foo o, int x) {
    o.a = 1;
    return x;
}

样例3

class Foo {
    boolean a;
    void bar() {
        a = true;
        while (a) {}
    }
    void whatever() { a = false; }
}

即时编译器会将while循环中读取实例字段a的操作 直接替换为常量true

void bar() {
    a = true;
    while (true) {}
}
// 生成的机器码将陷入这一死循环中
0x066b: mov    r11,QWORD PTR [r15+0x70] // 安全点测试
0x066f: test   DWORD PTR [r11],eax      // 安全点测试
0x0672: jmp    0x066b                   // while (true)

1. 可以通过 volatile 关键字标记实例字段a，以 强制 对a的读取
2. 实际上，即时编译器将 在volatile字段访问前后插入内存屏障节点
   • 这些 内存屏障节点 将 阻止 即时编译器 将屏障之前所缓存的值用于屏障之后的读取节点之上
   • 在X86_64平台上，volatile字段读取前后的内存屏障都是no-op
     • 在 即时编译过程中的屏障节点 ，还是会 阻止即时编译器的字段读取优化
     • 强制在循环中使用 内存读取指令 访问实例字段Foo.a的最新值
3. 同理， 加解锁操作同样也会阻止即时编译器的字段读取优化

字段存储优化

如果一个字段先后被存储了两次，而且这 两次存储之间没有对第一次存储内容读取 ，那么即时编译器将 消除 第一个字段存储

样例1

class Foo {
    int a = 0;
    void bar() {
        a = 1;
        a = 2;
    }
}

即时编译器将消除bar方法的冗余存储

void bar() {
    a = 2;
}

样例2

即便在某个字段的两个存储操作之间读取该字段，即时编译器也可能在 字段读取优化 的帮助下，将第一个存储操作当作 冗余存储

场景：例如两个存储操作之间隔着许多代码，又或者因为 方法内联 的原因，将两个存储操作纳入到同一编译单元里（如构造器中字段的初始化以及随后的更新）

class Foo {
    int a = 0;
    void bar() {
        a = 1;
        int t = a;
        a = t + 2;
    }
}
// 优化为
class Foo {
    int a = 0;
    void bar() {
        a = 1;
        int t = 1;
        a = t + 2;
    }
}
// 进一步优化为
class Foo {
    int a = 0;
    void bar() {
        a = 3;
    }
}

如果所存储的字段被标记为 volatile ，那么即时编译器也 不能消除冗余存储

死代码消除

样例1

int bar(int x, int y) {
    int t = x*y;
    t = x+y;
    return t;
}

没有节点依赖于t的第一个值 x*y ，因此该乘法运算将被消除

int bar(int x, int y) {
    return x+y;
}

样例2

int bar(boolean f, int x, int y) {
    int t = x*y;
    if (f)
        t = x+y;
    return t;
}

部分程序路径上有冗余存储（f=true），该路径上的乘法运算将会被消除

int bar(boolean f, int x, int y) {
    int t;
    if (f)
        t = x+y;
    else
        t = x*y;
    return t;
}

样例3

int bar(int x) {
    if (false)
        return x;
    else
        return -x;
}

不可达分支指的是任何程序路径都不可达到的分支，即时编译器将 消除不可达分支

int bar(int x) {
    return -x;
}

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