JVM的几点性能优化

Published: 28 Mar 2014 Category: jvm

HotSpot,家喻户晓的JVM,我们的Java和Scala程序就运行在它上面。年复一年,一次又一次的迭代,经过无数工程师的不断优化,现在它的代码执行的速度和效率已经逼近本地编译的代码了。

它的核心是一个JIT(Just-In-Time)编译器。JIT只有一个目的,就是为了提升你代码的执行速度,这也是HotSpot能如此流行和成功的重要因素。

JIT编译器都做了什么?

你的代码在执行的时候,JVM会收集它运行的相关数据。一旦收集到了足够的数据,证明某个方法是热点(默认是1万次调用),JIT就会介入进来,将“运行缓慢的”平台独立的的字节码转化成本地编译的,优化瘦身后的版本。

有些优化是显而易见的:比如简单方法内联,删除无用代码,将库函数调用替换成本地方法等。不过JIT编译的威力远不止此。下面列举了它的一些非常有意思的优化:

分而治之

你是不是经常会这样写代码:

StringBuilder sb = new StringBuilder("Ingredients: ");
 
for (int i = 0; i < ingredients.length; i++) {
    if (i > 0) {
        sb.append(", ");
    }
    sb.append(ingredients[i]);
}
 
return sb.toString();

或者这样:

boolean nemoFound = false;
 
for (int i = 0; i < fish.length; i++) {
    String curFish = fish[i];
     
    if (!nemoFound) {
        if (curFish.equals("Nemo")) {
            System.out.println("Nemo! There you are!");
            nemoFound = true;
            continue;
        }
    }
     
    if (nemoFound) {
        System.out.println("We already found Nemo!");
    } else {
        System.out.println("We still haven't found Nemo : (");
    }
}

这两个例子的共同之处是,循环体里先是处理这个事情,过一段时间又处理另外一件。编译器可以识别出这些情况,它可以将循环拆分成不同的分支,或者将几次迭代单独剥离。

我们来说下第一个例子。if(i>0)第一次的时候是false,后面就一直是true。为什么要每次都判断这个呢?编译器会对它进行优化,就好像你是这样写的一样:

StringBuilder sb = new StringBuilder("Ingredients: "); 
if (ingredients.length > 0) {
    sb.append(ingredients[0]);
    for (int i = 1; i < ingredients.length; i++) {
        sb.append(", ");
        sb.append(ingredients[i]);
    }
}
 
return sb.toString();

这样写的话,多余的if(i > 0)被去掉了,尽管也带来了一些代码重复(两处append),不过性能上得到了提升。

边界条件优化

检查空指针是很常见的一个操作。有时候null是一个有效的值(比如,表明缺少某个值,或者出现错误),有时候检查空指针是为了代码能正常运行。

有些检查是永远不会失败的(在这里null代表失败)。这里有一个典型的场景:

public static String l33tify(String phrase) {
if (phrase == null) {
throw new IllegalArgumentException("phrase must not be null");
}
return phrase.replace('e', '3');
}

如果你代码写得好的话,没有传null值给l33tify方法,这个判断永远不会失败。

在多次执行这段代码并且一直没有进入到if语句之后,JIT编译器会认为这个检查很多可能是多余的。然后它会重新编译这个方法,把这个检查去掉,最后代码看起来就像是这样的:

public static String l33tify(String phrase) {
return phrase.replace('e', '3');
}

这能显著的提升性能,而且在很多时候这么优化是没有问题的。

那万一这个乐观的假设实际上是错了呢?

JVM现在执行的已经是本地代码了,空引用可不会引起NullPointerException,而是真正的严重的内存访问冲突,JVM是个低级生物,它会去处理这个段错误,然后恢复执行没有优化过的代码——这个编译器可再也不敢认为它是多余的了:它会重新编译代码,这下空指针的检查又回来了。

虚方法内联

JVM的JIT编译器和其它静态编译器的最大不同就是,JIT编译器有运行时的动态数据,它可以基于这些数据进行决策。

方法内联是编译器一个常见的优化,编译器将方法调用替换成实际调用的代码,以避免一次调用的开销。不过当碰到虚方法调用(动态分发)的话情况就需要点小技巧了。

先看下这段代码 :

public class Main {
public static void perform(Song s) {
s.sing();
}
}

public interface Song { void sing(); }

public class GangnamStyle implements Song {
@Override
public void sing() {
System.out.println("Oppan gangnam style!");
}
}

public class Baby implements Song {
@Override
public void sing() {
System.out.println("And I was like baby, baby, baby, oh");
}
}

perform方法可能会被调用了无数次,每次都会调用sing方法。方法调用的开销当然是很大的,尤其像这种,因为它需要根据运行时s的类型来动态选择具体执行的代码。在这里,方法内联看真来像是遥不可及的梦想,对吧?

当然不是了。在多次执行perform方法后,编译器会根据它收集的数据发现,95%的调用对象都是GangnamStyle实例。这样的话,JIT编译器会很乐观将虚方法的调用优化掉。也就是说,编译器会直接生成本地代码 ,对应的Java实现大概是这样的:

public static void perform(Song s) {
if (s fastnativeinstanceof GangnamStyle) {
System.out.println("Oppan gangnam style!");
} else {
s.sing();
}
}

由于这个优化取决于运行时信息,它可以优化掉大部分的sing方法调用,尽管这个方法是多态的。

JIT编译器还有很多很有意思的技巧,这只是介绍了其中的几点,让你能感觉到我们代码在执行的时候,JVM在底层都做了些什么优化。

我能帮助JIT做些什么优化吗

JIT编译器是针对一般人的编译器;它是用来优化正常写出的代码的,它会去分析日常标准写法中的一些模式。不要刻意写代码去帮助JIT编译器进行优化就是对它最好的帮助 ——就正常写你自己的代码就好了。

译注:JIT还有许多很多意思的优化,这里只是列举出了几点。当然了,你也不用太在意它,就像文中最后说的,正常写好自己的代码就好了。

原创文章转载请注明出处:JVM的几点性能优化

英文原文链接