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該系列博文會告訴你如何從入門到進階，一步步地學習JVM基礎知識，並上手進行JVM調優實戰，JVM是每一個Java工程師必須要學習和理解的知識點，你必須要掌握其實現原理，才能更完整地瞭解整個Java技術體系，形成自己的知識框架。

為了更好地總結和檢驗你的學習成果，本系列文章也會提供每個知識點對應的面試題以及參考答案。

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## [java編譯期最佳化](https://www.cnblogs.com/LeonNew/p/6187411.html)

java語言的編譯期其實是一段不確定的操作過程，因為它可以分為三類編譯過程：
1.前端編譯：把_.java檔案轉變為_.class檔案
2.後端編譯：把位元組碼轉變為機器碼
3.靜態提前編譯：直接把*.java檔案編譯成本地機器程式碼
從JDK1.3開始，虛擬機器設計團隊就把對效能的最佳化集中到了後端的即時編譯中，這樣可以讓那些不是由Javac產生的Class檔案（如JRuby、Groovy等語言的Class檔案）也能享受到編譯期最佳化所帶來的好處
**Java中即時編譯在執行期的最佳化過程對於程式執行來說更重要，而前端編譯期在編譯期的最佳化過程對於程式編碼來說關係更加密切    **

### 早期（編譯期）最佳化

```
早期編譯過程主要分為3個部分：1.解析與填充符號表過程：詞法、語法分析；填充符號表  2.插入式註解處理器的註解處理過程  3.語義分析與位元組碼生成過程：標註檢查、資料與控制流分析、解語法糖、位元組碼生成
```

##### 泛型與型別擦除

Java語言中的泛型只在程式原始碼中存在，在編譯後的位元組碼檔案中，就已經替換成原來的原生型別了，並且在相應的地方插入了強制轉型程式碼

```
泛型擦除前的例子    
public static void main( String[] args )
{
    Map<string> map = new HashMap<string string="">();
    map.put("hello","你好");
    System.out.println(map.get("hello"));
}
 
泛型擦除後的例子    
public static void main( String[] args )
{
    Map map = new HashMap();
    map.put("hello","你好");
    System.out.println((String)map.get("hello"));
}
```

##### 自動裝箱、拆箱與遍歷迴圈

自動裝箱、拆箱在編譯之後會被轉化成對應的包裝和還原方法，如Integer.valueOf()與Integer.intValue()，而遍歷迴圈則把程式碼還原成了迭代器的實現，變長引數會變成陣列型別的引數。
**然而包裝類的“==”運算在不遇到算術運算的情況下不會自動拆箱，以及它們的equals()方法不處理資料轉型的關係。**

##### 條件編譯

Java語言也可以進行條件編譯，方法就是使用條件為常量的if語句，它在編譯階段就會被“執行”：

```
public static void main(String[] args) {
    if(true){
        System.out.println("block 1");
    }
    else{
        System.out.println("block 2");
    }
}
 
編譯後Class檔案的反編譯結果：
public static void main(String[] args) {
    System.out.println("block 1");
}
```

**只能是條件為常量的if語句，這也是Java語言的語法糖，根據布林常量值的真假，編譯器會把分支中不成立的程式碼塊消除掉**

### 晚期（執行期）最佳化

##### 直譯器與編譯器

Java程式最初是透過直譯器進行解釋執行的，當程式需要迅速啟動和執行時，直譯器可以首先發揮作用，省去編譯時間，立即執行；當程式執行後，隨著時間的推移，編譯期逐漸發揮作用，把越來越多的程式碼編譯成原生程式碼，獲得更高的執行效率。**解釋執行節約記憶體，編譯執行提升效率。** 同時，直譯器可以作為編譯器激進最佳化時的一個“逃生門”，讓編譯器根據機率選擇一些大多數時候都能提升執行速度的最佳化手段，當激進最佳化的假設不成立，則透過逆最佳化退回到解釋狀態繼續執行。

HotSpot虛擬機器中內建了兩個即時編譯器，分別稱為Client Compiler(C1編譯器)和Server Compiler(C2編譯器)，預設採用直譯器與其中一個編譯器直接配合的方式工作，使用哪個編譯器取決於虛擬機器執行的模式，也可以自己去指定。若強制虛擬機器執行與“解釋模式”，編譯器完全不介入工作，若強制虛擬機器執行於“編譯模式”，則優先採用編譯方式執行程式，直譯器仍然要在編譯無法進行的情況下介入執行過程。
![](https://images2015.cnblogs.com/blog/907283/201612/907283-20161216162941651-154732490.png)

##### 分層編譯策略

```
分層編譯策略作為預設編譯策略在JDK1.7的Server模式虛擬機器中被開啟，其中包括：
第0層：程式解釋執行，直譯器不開啟效能監控功能，可觸發第1層編譯；
第1層：C1編譯，將位元組碼編譯成原生程式碼，進行簡單可靠的最佳化，如有必要將加入效能監控的邏輯；
第2層：C2編譯，也是將位元組碼編譯成原生程式碼，但是會啟動一些編譯耗時較長的最佳化，甚至會根據效能監控資訊進行一些不可靠的激進最佳化。
實施分層編譯後，C1和C2將會同時工作，C1獲取更高的編譯速度，C2獲取更好的編譯質量，在解釋執行的時候也無須再承擔效能監控資訊的任務。  
```

##### 熱點程式碼探測

```
在執行過程中會被即時編譯器編譯的“熱點程式碼”有兩類：
1.被多次呼叫的方法：由方法呼叫觸發的編譯，屬於JIT編譯方式
2.被多次執行的迴圈體：也以整個方法作為編譯物件，因為編譯發生在方法執行過程中，因此成為棧上替換（OSR編譯）
 
熱點探測判定方式有兩種：
1.基於取樣的熱點探測：虛擬機器週期性的檢查各個執行緒的棧頂，如果某個方法經常出現在棧頂，則判定為“熱點方法”。（簡單高效，可以獲取方法的呼叫關係，但容易受執行緒阻塞或別的外界因素影響擾亂熱點探測）
2.基於計數的熱點探測：虛擬機器為每個方法建立一個計數器，統計方法的執行次數，超過一定閾值就是“熱點方法”。（需要為每個方法維護計數器，不能直接獲取方法的呼叫關係，但是統計結果精確嚴謹）  
```

HotSpot虛擬機器使用的是第二種，它為每個方法準備了兩類計數器：方法呼叫計數器和回邊計數器，下圖表示方法呼叫計數器觸發即時編譯：
![](https://images2015.cnblogs.com/blog/907283/201612/907283-20161216162952058-1104250840.png)

如果不做任何設定，執行引擎會繼續進入直譯器按照解釋方式執行位元組碼，直到提交的請求被編譯器編譯完成，下次呼叫才會使用已編譯的版本。另外，方法呼叫計數器的值也不是一個絕對次數，而是一段時間之內被呼叫的次數，超過這個時間，次數就減半，這稱為計數器熱度的衰減。

下圖表示回邊計數器觸發即時編譯：
![](https://images2015.cnblogs.com/blog/907283/201612/907283-20161216163000854-2133382071.png)

回邊計數器沒有計數器熱度衰減的過程，因此統計的就是絕對次數，並且當計數器溢位時，它還會把方法計數器的值也調整到溢位狀態，這樣下次進入該方法的時候就會執行標準編譯過程。

##### 編譯最佳化技術

虛擬機器設計團隊幾乎把對程式碼的所有最佳化措施都集中在了即時編譯器之中，那麼在編譯器編譯的過程中，到底做了些什麼事情呢？下面將介紹幾種最有代表性的最佳化技術：
**公共子表示式消除**
如果一個表示式E已經計算過了，並且先前的計算到現在E中所有變數的值都沒有發生變化，那麼E的這次出現就成為了公共表示式，可以直接用之前的結果替換。
例：int d = (c * b) * 12 + a + (a + b * c) => int d = E * 12 + a + (a + E)

**陣列邊界檢查消除**
Java語言中訪問陣列元素都要進行上下界的範圍檢查，每次讀寫都有一次條件判定操作，這無疑是一種負擔。編譯器只要透過資料流分析就可以判定迴圈變數的取值範圍永遠在陣列長度以內，那麼整個迴圈中就可以把上下界檢查消除，這樣可以省很多次的條件判斷操作。

另一種方法叫做隱式異常處理，Java中空指標的判斷和算術運算中除數為0的檢查都採用了這個思路：

```
if(foo != null){
    return foo.value;
}else{
    throw new NullPointException();
}
 
使用隱式異常最佳化以後：
try{
    return foo.value;
}catch(segment_fault){
    uncommon_trap();
}
當foo極少為空時，隱式異常最佳化是值得的，但是foo經常為空，這樣的最佳化反而會讓程式變慢，而HotSpot虛擬機器會根據執行期收集到的Profile資訊自動選擇最優方案。
```

**方法內聯**
方法內聯能去除方法呼叫的成本，同時也為其他最佳化建立了良好的基礎，因此各種編譯器一般會把內聯最佳化放在最佳化序列的最靠前位置，然而由於Java物件的方法預設都是虛方法，因此方法呼叫都需要在執行時進行多型選擇，為了解決虛方法的內聯問題，首先引入了“型別繼承關係分析（CHA）”的技術。

```
1.在內聯時，若是非虛方法，則可以直接內聯  
2.遇到虛方法，首先根據CHA判斷此方法是否有多個目標版本，若只有一個，可以直接內聯，但是需要預留一個“逃生門”，稱為守護內聯，若在程式的後續執行過程中，載入了導致繼承關係發生變化的新類，就需要拋棄已經編譯的程式碼，退回到解釋狀態執行，或者重新編譯。
3.若CHA判斷此方法有多個目標版本，則編譯器會使用“內聯快取”，第一次呼叫快取記錄下方法接收者的版本資訊，並且每次呼叫都比較版本，若一致則可以一直使用，若不一致則取消內聯，查詢虛方法表進行方法分派。
```

**逃逸分析**
逃逸分析的基本行為就是分析物件動態作用域，當一個物件被外部方法所引用，稱為方法逃逸；當被外部執行緒訪問，稱為執行緒逃逸。若能證明一個物件不會被外部方法或程式引用，則可以為這個變數進行一些最佳化：

```
1.棧上分配：如果確定一個物件不會逃逸，則可以讓它分配在棧上，物件所佔用的記憶體空間就可以隨棧幀出棧而銷燬。這樣可以減小垃圾收集系統的壓力。  
2.同步消除：執行緒同步相對耗時，如果確定一個變數不會逃逸出執行緒，那這個變數的讀寫不會有競爭，則對這個變數實施的同步措施也就可以消除掉。  
3.標量替換：如果逃逸分析證明一個物件不會被外部訪問，並且這個物件可以被拆散的話，那麼程式真正執行的時候可以不建立這個物件，改為直接建立它的成員變數，這樣就可以在棧上分配。
```

**可是目前還不能保證逃逸分析的效能收益必定高於它的消耗，所以這項技術還不是很成熟。**

### java與C/C++編譯器對比

```
Java虛擬機器的即時編譯器與C/C++的靜態編譯器相比，可能會由於下面的原因導致輸出的原生程式碼有一些劣勢：
1.即時編譯器執行佔用的是使用者程式的執行時間，具有很大的時間壓力，因此不敢隨便引入大規模的最佳化技術；
2.Java語言是動態的型別安全語言，虛擬器需要頻繁的進行動態檢查，如空指標，上下界範圍，繼承關係等；
3.Java中使用虛方法頻率遠高於C++，則需要進行多型選擇的頻率遠高於C++；
4.Java是可以動態擴充套件的語言，執行時載入新的類可能改變原有的繼承關係，許多全域性的最佳化措施只能以激進最佳化的方式來完成；
5.Java語言的物件記憶體都在堆上分配，垃圾回收的壓力比C++大
 
然而，Java語言這些效能上的劣勢換取了開發效率上的優勢，並且由於C++編譯器所有最佳化都是在編譯期完成的，以執行期效能監控為基礎的最佳化措施都無法進行，這也是Java編譯器獨有的優勢。
```

## 參考文章

<https:>

<http:>

<https:></https:>

https://blog.csdn.net/android_hl/article/details/53228348</http:></https:></https:></string></string>

深入瞭解JVM虛擬機器8：Java的編譯期最佳化與執行期最佳化

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