1. 早期(编译期)优化

1-1. 概论

1. 前端编译器:Sun的Javac、 Eclipse JDT中的增量式编译器(ECJ)
   • JIT编译器:HotSpot VM的C1、 C2编译器
   • AOT编译器:GNU Compiler for the Java(GCJ)、 Excelsior JET
2. javac这类编译器几乎不对代码进行性能优化,把性能优化放到了JIT即时编译器内,可为JRuby、Groovy这类语言的代码也同等享有优化带来的好处

1-2. javac编译

1-2.1. 编译过程

1. 解析与填充符号表过程

• 词法、语法分析
  • 词法分析是将源代码的字符流转变为标记(Token)集合,单个字符是程序编写过程的最小元素,而标记则是编译过程的最小元素,关键字、 变量名、 字面量、 运算符都可以成为标记
  • 语法分析是根据Token序列构造抽象语法树的过程,抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST)是一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式,语法树的每一个节点都代表着程序
    代码中的一个语法结构(Construct),例如包、 类型、 修饰符、 运算符、 接口、 返回值甚至代码注释等都可以是一个语法结构.
• 填充符号表
  • 符号表(Symbol Table)是由一组符号地址和符号信息构成的表格
  • 在语义分析中,符号表所登记的内容将用于语义检查(如检查一个名字的使用和原先的说明是否一致)和产生中间代码.在目标代码生成阶段,当对符号名进行地址分配时,符号表是地址分配的依据.

2. 插入式注解处理器的注解处理过程
3. 分析与字节码生成过程

• 标注检查
  • 检查的内容包括诸如变量使用前是否已被声明、 变量与赋值之间的数据类型是否能够匹配等
  • 常量折叠 如定义了int a = 1 + 2会被编译为int a = 3
• 数据及控制流分析
  • 数据及控制流分析是对程序上下文逻辑更进一步的验证,它可以检查出诸如程序局部变量在使用前是否有赋值、
    方法的每条路径是否都有返回值、 是否所有的受查异常都被正确处理了等问题.
• 语法糖
  • 语法糖:也称糖衣语法,是由英国计算机科学家彼得·约翰·兰达(Peter J.Landin)发明的一个术语,
    指在计算机语言中添加的某种语法,这种语法对语言的功能并没有影响,但是更方便程序员使用.
    通常来说,使用语法糖能够增加程序的可读性,从而减少程序代码出错的机会.
  • java语法糖:泛型、变长参数、 自动装箱/拆箱等 内部类、 枚举类、 断言语句、 对枚举和字符串(在JDK 1.7中支持)
    的switch支持、 try语句中定义和关闭资源(在JDK 1.7中支持)等
  • 泛型:编译器会进行解泛,所以泛型不能进行方法重载
  • 自动装箱、 拆箱与遍历循环
  • 条件编译 if 的条件为常量时编译期会被执行
• 字节码生成
  • 字节码生成阶段不仅仅是把前面各个步骤所生成的信息(语法树、 符号表)转化成字节码写到磁盘中,
    编译器还进行了少量的代码添加和转换工作.

2. 晚期(运行期)优化

2-1. 即时编译器(JIT)

1. 为了提高热点代码的执行效率,在运行时,虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码,并进行各种层次的优化,
   完成这个任务的编译器称为即时编译器(Just In Time Compiler)
2. 解释器与编译器(sun HotSpot虚拟机为例)

• 交互模型

          +---------------即时编译-----------↓
          ↓                         Client Compiler(C1编译器)
       解释器(Interpreter)               编译器
          ↑                         Server Compiler(C2编译器)
          +----------------逆优化------------↑
  

• HotSpot虚拟机同时由解释器与编译器搭配使用(成为混合模式(Mixed Model)),
  可添加参数-Xint强制虚拟机使用解释模式(Interpreted Mode),可添加参数-Xcomp强制虚拟机使用编译模式(Compiled Mode)
• 启动参数-client启用Client Compiler编译器 参数-server启用Server Compiler编译器
• HotSpot虚拟机还会逐渐启用分层编译(Tiered Compilation)的策略,分层编译的概念在JDK 1.6时期出现,
  JDK1.7中Server模式中默认开启,之前需配参数-XX:+TieredCompilation启用

3. 编译对象与触发条件

• 触发条件
  • 被多次调用的方法
  • 被多次执行的循环体,这个称为栈上替换(On Stack Replacement,简称为OSR编译)
• 热点代码判定
  • 基于采样的热点探测,周期性检测个线程的栈顶,若某个方法经常在栈顶,则认为是热点方法；
    优点是实现简单简单,高效,容易获取方法调用关系,缺点是不能准确判定一个方法的热度
  • 基于计数器的热点探测,虚拟机为每个方法设定计数器,统计方法执行次数,若超过一定阈值则认为是热点方法；
    优点是能准确判定一个方法的热度,缺点是要为每个方法建立计数器并维护,实现麻烦,也不能获取方法的调用关系
• HotSpot虚拟机是基于计数器的热点探测,有2个计数器:方法调用计数器(Invocation Counter)和回边计数器(Back Edge Counter)
  • 方法调用计数器,Client模式下阈值为1500次,Server模式下阈值为1000次,可由参数-XX:CompileThreshold来设置
    -XX:-UseCounterDecay设置关闭热度衰减,-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间,单位是秒
  • 回边计数器,参数-XX:OnStackReplacePercentage来间接调整回边计数器的阈值
    Client模式下阈值计算公式:
    方法调用计数器阈值(CompileThreshold)×OSR比率(OnStackReplacePercentage)[默认值为933]/100 默认情况下为13995
    Server模式下阈值计算公式:
    方法调用计数器阈值(CompileThreshold)×(OSR比率(OnStackReplacePercentage)[默认值140]-解释器监控比率(InterpreterProfilePercentage)[默认值33]/100
    默认情况下为10700

4. 编译过程
   • Client模式下编译过程
     
   • Server模式下编译过程
     相当复杂
5. 优化技术

• 公共子表达式消除
  • 经典优化技术,如果一个表达式E已经计算过了,并且从先前的计算到现在E中所有变量的值都没有发生变化,那么E的这次出现就成为了公共子表达式.
    对于这种表达式,没有必要花时间再对它进行计算,只需要直接用前面计算过的表达式结果代替E就可以了
• 数组边界检查消除
  • 语言相关的其他消除操作还有不少,如自动装箱消除(Autobox Elimination)、 安全点消除(Safepoint Elimination)、消除反射(Dereflection)等
• 方法内联
  • 虚拟机最重要的优化手段之一,除了消除方法调用的成本之外,它更重要的意义是为其他优化手段建立良好的基础
  • 非虚方法直接内联,虚方法引入了一种名为“类型继承关系分析”(Class Hierarchy Analysis,CHA)的技术,
    检查发现没有多个目标版本可供选择,则也可内联,但需准备一个逃生门,即使有多个版本目标也会默认内联,但在调用时要检查,
    发现版本目标不一致在取消内联,会从“逃生门”回到解释状态重新执行
• 逃逸分析(JDK1.6)
  • 当下java最前沿的优化技术
  • 逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域:当一个对象在方法中被定义后,它可能被外部方法所引用,
    例如作为调用参数传递到其他方法中,称为方法逃逸. 甚至还有可能被外部线程访问到,
    譬如赋值给类变量或可以在其他线程中访问的实例变量,称为线程逃逸.
  • 栈上分配(Stack Allocation),如果证明一个对象不会逃逸到方法之外,则可以将对象分配到方法栈帧内存,这样随着栈帧出栈而销毁,极大地降低了GC系统压力
  • 同步消除(Synchronization Elimination),如果能证明一个变量不会逃逸出线程,那就可以消除掉同步措施,消除同步带来的消耗
  • 标量替换(Scalar Replacement)
    标量(Scalar),是指一个数据已经无法再分解成更小的数据来表示了,如:int,long,double等
    聚合量(Aggregate),是指一个数据可以被分解,典型的java对象
    如果证明一个对象不被外界访问,又可拆散的话,那程序在调用的时候就不创建该变量,改为创建多个成员变量来代替,
    将对象拆分后,除了可以让对象的成员变量在栈上(栈上存储的数据,有很大的概率会被虚拟机分配至物理机器的高速寄存器中存储)
    分配和读写之外,还可以为后续进一步的优化手段创建条件
  • 逃逸分析尚不成熟