Java的編譯期是一個(gè)模糊的概念，需要具體分析。

將 *.java文件轉(zhuǎn)為 *.class的過程稱為編譯器的前端(前端編譯)。例如：JDK的javac編譯器。

把字節(jié)碼( *.class文件) 轉(zhuǎn)變?yōu)?本地機(jī)器碼 的過程稱為Java虛擬機(jī)的即時(shí)編譯運(yùn)行期(JIT編譯器，Just In Time)。例如：HotSpot虛擬機(jī)的C1、C2編譯器。

使用靜態(tài)的提前編譯器(AOT編譯器，Ahead Of Time Compiler)直接把程序變異成與目標(biāo)及其指令集相關(guān)的二進(jìn)制代碼的過程。例如：JDK的Jaotc。

一.前端編譯與優(yōu)化

Javac 這類編譯器對代碼的運(yùn)行效率幾乎沒有任何優(yōu)化措施，虛擬機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)把對性能的優(yōu)化都放到了后端的即時(shí)編譯器中，這樣可以讓那些不是由 Javac 產(chǎn)生的 class 文件(如 Groovy、Kotlin 等語言產(chǎn)生的 class 文件)也能享受到編譯器優(yōu)化帶來的好處。但是 Javac 做了很多針對 Java 語言編碼過程的優(yōu)化措施來改善程序員的編碼風(fēng)格、提升編碼效率。相當(dāng)多新生的 Java 語法特性，都是靠編譯器的「語法糖」來實(shí)現(xiàn)的，而不是依賴虛擬機(jī)的底層改進(jìn)來支持。

Java 中即時(shí)編譯器在運(yùn)行期的優(yōu)化過程對于程序運(yùn)行來說更重要，而前端編譯器在編譯期的優(yōu)化過程對于程序編碼來說更加密切。

1.1 Javac 編譯器

Javac 編譯器的編譯過程大致可分為 1個(gè)準(zhǔn)備過程3個(gè)處理過程 ：

初始化插入式注解處理器

解析與填充符號表；

插入式注解處理器的注解處理；

分析與字節(jié)碼生成。

這 3 個(gè)步驟之間的關(guān)系如下圖所示：

解析與填充符號表

🌳 解析步驟包含了經(jīng)典程序編譯原理中的詞法分析和語法分析兩個(gè)過程：

詞法分析是將源代碼的字符流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)記(Token)集合的過程，單個(gè)字符是程序?qū)憰r(shí)的最小元素，但標(biāo)記才是編譯時(shí)的最小元素。關(guān)鍵字、變量名、字面量、運(yùn)算符都可以作為標(biāo)記，如“inta=b+2”這句代碼中就包含了6個(gè)標(biāo)記，分別是imt、a、=、b、+、1雖然關(guān)鍵字int由3個(gè)字符構(gòu)成，但是它只是一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)記，不可以再拆分。

語法分析是根據(jù)標(biāo)記序列構(gòu)造抽象語法樹的過程，抽象語法樹是一種用來描述程序代碼語法結(jié)構(gòu)的樹形表示方式，抽象語法樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表者程序代碼中的一個(gè)語法結(jié)構(gòu)。例如包、類型、修飾符、運(yùn)算符、接口返回值甚至連代碼注釋等都可以是一種特定的語法結(jié)構(gòu)。

🌳 填充符號表

完成詞法分析和語法分析之后，下一步就是填充符號表的過程。符號表是由一組符號地址和符號信息構(gòu)成的表格。在語義分析中，符號表所登記的內(nèi)容將用于語義檢查和產(chǎn)生中間代碼。在目標(biāo)代碼生成階段，當(dāng)對符號名進(jìn)行地址分配時(shí)，符號表是地址分配的依據(jù)。

注解處理器

注解(Annotation)是在 JDK 1.5 中新增的，注解在設(shè)計(jì)上原本是與普通代碼一樣，只在運(yùn)行期間發(fā)揮作用。

但是在JDK1.6中，插入式注解處理器可以提前至編譯期對代碼中的特點(diǎn)注解進(jìn)行處理，從而影響到前端編譯器的工作過程。我們可以把插入式注解處理器看作是一組編譯器的插件，當(dāng)這些插件工作時(shí)，允許讀取、修改、添加抽象語法樹中的任意元素。如果這些插件在處理注解期間對語法樹進(jìn)行過修改，編譯器將回到解析及填充符號表的過程重新處理，直到所有插入式注解處理器都沒有再對語法樹進(jìn)行修改為止，每一次循環(huán)過程稱為一個(gè)輪次(Round)，這也就對應(yīng)著?? 圖的那個(gè)回環(huán)過程有了編譯器注解處理過程。Lombok就是依賴于插入式注解器實(shí)現(xiàn)的。

語義分析與字節(jié)碼生成

語法分析之后，編譯器獲得了程序代碼的抽象語法樹表示，語法樹能表示一個(gè)結(jié)構(gòu)正確的源程序的抽象，但無法保證源程序是符合邏輯的。而語義分析的主要任務(wù)是對結(jié)構(gòu)上正確的源程序進(jìn)行上下文有關(guān)性質(zhì)的審查，比如進(jìn)行類型檢查，控制流檢查，數(shù)據(jù)流檢查，解語發(fā)糖。

字節(jié)碼生成是 Javac 編譯過程的最后一個(gè)階段，字節(jié)碼生成階段不僅僅是把前面各個(gè)步驟所生成的信息(語法樹、符號表)轉(zhuǎn)化成字節(jié)碼寫到磁盤中，編譯器還進(jìn)行了少量的代碼添加和轉(zhuǎn)換工作。如前面提到的 () 方法和()方法 就是在這一階段添加到語法樹中的。

在字節(jié)碼生成階段，除了生成構(gòu)造器以外，還有一些其它的代碼替換工作用于優(yōu)化程序的實(shí)現(xiàn)邏輯，如把字符串的加操作替換為 StringBiulder 或 StringBuffer。

完成了對語法樹的遍歷和調(diào)整之后，就會把填充了所需信息的符號表交給 com.sun.tools.javac.jvm.ClassWriter 類，由這個(gè)類的 writeClass() 方法輸出字節(jié)碼，最終生成字節(jié)碼文件，到此為止整個(gè)編譯過程就結(jié)束了。

1.2 Java 語法糖

Java 中提供了有很多語法糖來方便程序開發(fā)，雖然語法糖不會提供實(shí)質(zhì)性的功能改進(jìn)，但是它能提升開發(fā)效率、語法的嚴(yán)謹(jǐn)性、減少編碼出錯(cuò)的機(jī)會。下面我們來了解下語法糖背后我們看不見的東西。

泛型與類型擦除

泛型顧名思義就是類型泛化，本質(zhì)是參數(shù)化類型的應(yīng)用，也就是說操作的數(shù)據(jù)類型被指定為一個(gè)參數(shù)。這種參數(shù)可以用在類、接口和方法的創(chuàng)建中，分別稱為泛型類、泛型接口和泛型方法。

在 Java 語言還沒有泛型的時(shí)候，只能通過 Object 是所有類型的父類和強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換兩個(gè)特點(diǎn)的配合來實(shí)現(xiàn)類型泛化。例如 HashMap 的 get() 方法返回的就是一個(gè) Object 對象，那么只有程序員和運(yùn)行期的虛擬機(jī)才知道這個(gè) Object 到底是個(gè)什么類型的對象。在編譯期間，編譯器無法檢查這個(gè) Object 的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換是否成功，如果僅僅依賴程序員去保障這項(xiàng)操作的正確性，許多 ClassCastException 的風(fēng)險(xiǎn)就會轉(zhuǎn)嫁到程序運(yùn)行期。

Java 語言中泛型只在程序源碼中存在，在編譯后的字節(jié)碼文件中，就已經(jīng)替換為原來的原生類型，并且在相應(yīng)的地方插入了強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換的代碼。因此對于運(yùn)行期的 Java 語言來說， ArrayList 與 ArrayList 是同一個(gè)類型，所以泛型實(shí)際上是 Java 語言的一個(gè)語法糖，這種泛型的實(shí)現(xiàn)方法稱為類型擦除。

自動(dòng)裝箱、拆箱與遍歷循環(huán)

自動(dòng)裝箱、拆箱與遍歷循環(huán)是 Java 語言中用得最多的語法糖。這塊比較簡單，我們直接看代碼：

public class SyntaxSugars {

public static void main(String[] args){

List list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);

int sum = 0;

for(int i : list){

sum += i;

}

System.out.println("sum = " + sum);

}

}

自動(dòng)裝箱、拆箱與遍歷循環(huán)編譯之后：

public class SyntaxSugars {

public static void main(String[] args) {

List list = Arrays.asList(new Integer[]{

Integer.valueOf(1),

Integer.valueOf(2),

Integer.valueOf(3),

Integer.valueOf(4),

Integer.valueOf(5)

});

int sum = 0;

for (Iterator iterable = list.iterator(); iterable.hasNext(); ) {

int i = ((Integer) iterable.next()).intValue();

sum += i;

}

System.out.println("sum = " + sum);

}

}

第一段代碼包含了泛型、自動(dòng)裝箱、自動(dòng)拆箱、遍歷循環(huán)和變長參數(shù) 5 種語法糖，第二段代碼則展示了它們在編譯后的變化。

條件編譯

Java 語言中條件編譯的實(shí)現(xiàn)也是一顆語法糖，根據(jù)布爾常量值的真假，編譯器會把分支中不成立的代碼塊消除。

public static void main(String[] args) {

if (true) {

System.out.println("block 1");

} else {

System.out.println("block 2");

}

}

上述代碼經(jīng)過編譯后 class 文件的反編譯結(jié)果：

public static void main(String[] args) {

System.out.println("block 1");

}

二. 后端編譯與優(yōu)化

目前主流的兩款商用Java虛擬機(jī)(Hotspot、Open9)里，Java程序最初都是通過解釋器(Interpreter)進(jìn)行解釋執(zhí)行的。在javac編譯過后產(chǎn)生的字節(jié)碼Class文件：源碼在編譯的過程中，進(jìn)行「詞法分析 → 語法分析 → 生成目標(biāo)代碼」等過程，完成生成字節(jié)碼文件的工作。然后在后面交由解釋器)解釋執(zhí)行，省去前面預(yù)編譯的開銷。java.exe可以簡單看成是Java解釋器。

2.1 HotSpot 虛擬機(jī)內(nèi)的即時(shí)編譯器

當(dāng)虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)某個(gè)方法或者代碼塊的運(yùn)行特別頻繁時(shí)，就會把這些代碼認(rèn)定為「熱點(diǎn)代碼」(Hot Spot Code)。為了提高熱點(diǎn)代碼的執(zhí)行效率，在運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)將會把這些代碼編譯成與本地平臺相關(guān)的機(jī)器碼，并進(jìn)行各種層次的優(yōu)化，完成這個(gè)任務(wù)的編譯器稱為即時(shí)編譯器(JIT)。

即時(shí)編譯器不是虛擬機(jī)必須的部分，Java 虛擬機(jī)規(guī)范并沒有規(guī)定虛擬機(jī)內(nèi)部必須要有即時(shí)編譯器存在，更沒有限定或指導(dǎo)即時(shí)編譯器應(yīng)該如何實(shí)現(xiàn)。但是 JIT 編譯性能的好壞、代碼優(yōu)化程度的高低卻是衡量一款商用虛擬機(jī)優(yōu)秀與否的最關(guān)鍵指標(biāo)之一。

解釋器與編譯器

盡管并不是所有的 Java 虛擬機(jī)都采用解釋器與編譯器并存的架構(gòu)，但許多主流的商用虛擬機(jī)，如 HotSpot、J9 等，都同時(shí)包含解釋器與編譯器。

編譯器：負(fù)責(zé)把一種編程語言編寫的源碼轉(zhuǎn)換成另外一種計(jì)算機(jī)代碼，后者往往是以二進(jìn)制的形式被稱為目標(biāo)代碼(object code)。這個(gè)轉(zhuǎn)換的過程通常的目的是生成可執(zhí)行的程序。編譯器，往往是在「執(zhí)行」之前完成，產(chǎn)出是一種可執(zhí)行或需要再編譯或者解釋的「代碼」。

解釋器：它直接執(zhí)行由編程語言或腳本語言編寫的代碼，并不會把源代碼預(yù)編譯成機(jī)器碼。它是把程序源代碼一行一行的讀懂然后執(zhí)行，發(fā)生在運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)物是「運(yùn)行結(jié)果」。

解釋器與編譯器兩者各有優(yōu)勢：

當(dāng)程序需要迅速啟動(dòng)和執(zhí)行的時(shí)候，解釋器可以首先發(fā)揮作用，省去編譯的時(shí)間，立即執(zhí)行。在程序運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，編譯器逐漸發(fā)揮作用，把越來越多的代碼編譯成本地機(jī)器碼之后，可以獲得更高的執(zhí)行效率。

當(dāng)程序運(yùn)行環(huán)境中內(nèi)存資源限制較大(如部分嵌入式系統(tǒng))，可以使用解釋器執(zhí)行來節(jié)約內(nèi)存，反之可以使用編譯執(zhí)行來提升效率。

同時(shí)，解釋器還可以作為編譯器激進(jìn)優(yōu)化時(shí)的一個(gè)「逃生門」，當(dāng)編譯器根據(jù)概率選擇一些大多數(shù)時(shí)候都能提升運(yùn)行速度的優(yōu)化手段，當(dāng)激進(jìn)優(yōu)化的假設(shè)不成立，如加載了新的類后類型繼承結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化、出現(xiàn)「罕見陷阱」時(shí)可以通過逆優(yōu)化退回到解釋狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。

編譯對象與觸發(fā)條件

程序在運(yùn)行過程中會被即時(shí)編譯器編譯的「熱點(diǎn)代碼」有兩類：

被多次調(diào)用的方法；

被多次執(zhí)行的循環(huán)體。

這兩種被多次重復(fù)執(zhí)行的代碼，稱之為「熱點(diǎn)代碼」。

對于被多次調(diào)用的方法，方法體內(nèi)的代碼自然會被執(zhí)行多次，理所當(dāng)然的就是熱點(diǎn)代碼。

而對于多次執(zhí)行的循環(huán)體則是為了解決一個(gè)方法只被調(diào)用一次或者少量幾次，但是方法體內(nèi)部存在循環(huán)次數(shù)較多的循環(huán)體問題，這樣循環(huán)體的代碼也被重復(fù)執(zhí)行多次，因此這些代碼也是熱點(diǎn)代碼。

對于第一種情況，由于是方法調(diào)用觸發(fā)的編譯，因此編譯器理所當(dāng)然地會以整個(gè)方法作為編譯對象，這種編譯也是虛擬機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)的 JIT 編譯方式。而對于后一種情況，盡管編譯動(dòng)作是由循環(huán)體所觸發(fā)的，但是編譯器依然會以整個(gè)方法(而不是單獨(dú)的循環(huán)體)作為編譯對象。這種編譯方式因?yàn)榘l(fā)生在方法執(zhí)行過程中，因此形象地稱之為棧上替換(On Stack Replacement，簡稱 OSR 編譯，即方法棧幀還在棧上，方法就被替換了)。

我們反復(fù)提到多次，可是多少次算多次呢？虛擬機(jī)如何統(tǒng)計(jì)一個(gè)方法或一段代碼被執(zhí)行過多少次呢？回答了這兩個(gè)問題，也就回答了即時(shí)編譯器的觸發(fā)條件。

判斷一段代碼是不是熱點(diǎn)代碼，是不是需要觸發(fā)即時(shí)編譯，這樣的行為稱為「熱點(diǎn)探測」。其實(shí)進(jìn)行熱點(diǎn)探測并不一定需要知道方法具體被調(diào)用了多少次，目前主要的熱點(diǎn)探測判定方式有兩種。

基于采樣的熱點(diǎn)探測：采用這種方法的虛擬機(jī)會周期性地檢查各個(gè)線程棧頂，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)(或某些)方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，那這個(gè)方法就是「熱點(diǎn)方法」。基于采樣的熱點(diǎn)探測的好處是實(shí)現(xiàn)簡單、高效，還可以很容易地獲取方法調(diào)用關(guān)系(將調(diào)用棧展開即可)，缺點(diǎn)是很難精確地確認(rèn)一個(gè)方法的熱度，容易因?yàn)槭艿骄€程阻塞或別的外界因數(shù)的影響而擾亂熱點(diǎn)探測。

基于計(jì)數(shù)器的熱點(diǎn)探測：采用這種方法的虛擬機(jī)會為每個(gè)方法(甚至代碼塊)建立計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)方法的執(zhí)行次數(shù)，如果執(zhí)行次數(shù)超過一定的閾值就認(rèn)為它是「熱點(diǎn)方法」。這種統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)起來麻煩一些，需要為每個(gè)方法建立并維護(hù)計(jì)數(shù)器，而且不能直接獲取到方法的調(diào)用關(guān)系，但是統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對來說更加精確和嚴(yán)謹(jǐn)。

HotSpot 虛擬機(jī)采用的是第二種：基于計(jì)數(shù)器的熱點(diǎn)探測。因此它為每個(gè)方法準(zhǔn)備了兩類計(jì)數(shù)器：方法調(diào)用計(jì)數(shù)器(Invocation Counter)和回邊計(jì)數(shù)器(Back Edge Counter)。

在確定虛擬機(jī)運(yùn)行參數(shù)的情況下，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器都有一個(gè)確定的閾值，當(dāng)計(jì)數(shù)器超過閾值就會觸發(fā) JIT 編譯。

方法調(diào)用計(jì)數(shù)器

顧名思義，這個(gè)計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)方法被調(diào)用的次數(shù)。當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用時(shí)，會首先檢查該方法是否存在被 JIT 編譯過的版本，如果存在，則優(yōu)先使用編譯后的本地代碼來執(zhí)行。如果不存在，則將此方法的調(diào)用計(jì)數(shù)器加 1，然后判斷方法調(diào)用計(jì)數(shù)器與回邊計(jì)數(shù)器之和是否超過方法調(diào)用計(jì)數(shù)器的閾值。如果超過閾值，將會向即時(shí)編譯器提交一個(gè)該方法的代碼編譯請求。

如果不做任何設(shè)置，執(zhí)行引擎不會同步等待編譯請求完成，而是繼續(xù)進(jìn)入解釋器按照解釋方式執(zhí)行字節(jié)碼，直到提交的請求被編譯器編譯完成。當(dāng)編譯完成后，這個(gè)方法的調(diào)用入口地址就會被系統(tǒng)自動(dòng)改寫成新的，下一次調(diào)用該方法時(shí)就會使用已編譯的版本。

如果不做任何設(shè)置，方法調(diào)用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的并不是方法被調(diào)用的絕對次數(shù)，而是一個(gè)相對的執(zhí)行頻率，即一段時(shí)間內(nèi)方法調(diào)用的次數(shù)。當(dāng)超過一定的時(shí)間限度，如果方法的調(diào)用次數(shù)仍然不足以讓它提交給即時(shí)編譯器編譯，那這個(gè)方法的調(diào)用計(jì)數(shù)器值就會被減少一半，這個(gè)過程稱為方法調(diào)用計(jì)數(shù)器熱度的衰減，而這段時(shí)間就稱為此方法統(tǒng)計(jì)的半衰期。

進(jìn)行熱度衰減的動(dòng)作是在虛擬機(jī)進(jìn)行 GC 時(shí)順便進(jìn)行的，可以設(shè)置虛擬機(jī)參數(shù)來關(guān)閉熱度衰減，讓方法計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)方法調(diào)用的絕對次數(shù)，這樣，只要系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間足夠長，絕大部分方法都會被編譯成本地代碼。此外還可以設(shè)置虛擬機(jī)參數(shù)調(diào)整半衰期的時(shí)間。

回邊計(jì)數(shù)器

回邊計(jì)數(shù)器的作用是統(tǒng)計(jì)一個(gè)方法中循環(huán)體代碼執(zhí)行的次數(shù)，在字節(jié)碼中遇到控制流向后跳轉(zhuǎn)的指令稱為「回邊」(Back Edge)。建立回邊計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的目的是為了觸發(fā) OSR 編譯。

當(dāng)解釋器遇到一條回邊指令時(shí)，會先查找將要執(zhí)行的代碼片段是否已經(jīng)有編譯好的版本，如果有，它將優(yōu)先執(zhí)行已編譯的代碼，否則就把回邊計(jì)數(shù)器值加 1，然后判斷方法調(diào)用計(jì)數(shù)器和回邊計(jì)數(shù)器值之和是否超過計(jì)數(shù)器的閾值。當(dāng)超過閾值時(shí)，將會提交一個(gè) OSR 編譯請求，并且把回邊計(jì)數(shù)器的值降低一些，以便繼續(xù)在解釋器中執(zhí)行循環(huán)，等待編譯器輸出編譯結(jié)果。

與方法計(jì)數(shù)器不同，回邊計(jì)數(shù)器沒有計(jì)算熱度衰減的過程，因此這個(gè)計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的就是該方法循環(huán)執(zhí)行的絕對次數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)，它還會把方法計(jì)數(shù)器的值也調(diào)整到溢出狀態(tài)，這樣下次再進(jìn)入該方法的時(shí)候就會執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)編譯過程。

2.2 編譯優(yōu)化技術(shù)

我們都知道，以編譯方式執(zhí)行本地代碼比解釋執(zhí)行方式更快，一方面是因?yàn)楣?jié)約了虛擬機(jī)解釋執(zhí)行字節(jié)碼額外消耗的時(shí)間；另一方面是因?yàn)樘摂M機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幾乎把所有對代碼的優(yōu)化措施都集中到了即時(shí)編譯器中。這一小節(jié)我們來介紹下 HotSpot 虛擬機(jī)的即時(shí)編譯器在編譯代碼時(shí)采用的優(yōu)化技術(shù)。

優(yōu)化技術(shù)概覽

代碼優(yōu)化技術(shù)有很多，實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)化也很有難度，但是大部分還是比較好理解的。為了便于介紹，我們先從一段簡單的代碼開始，看看虛擬機(jī)會做哪些代碼優(yōu)化。

static class B {

int value;

final int get() {

return value;

}

}

public void foo() {

y = b.get();

z = b.get();

sum = y + z;

}

首先需要明確的是，這些代碼優(yōu)化是建立在代碼的某種中間表示或者機(jī)器碼上的，絕不是建立在 Java 源碼上。這里之所使用 Java 代碼來介紹是為了方便演示。

上面這段代碼看起來簡單，但是有許多可以優(yōu)化的地方。

第一步是進(jìn)行方法內(nèi)聯(lián)(Method Inlining)，方法內(nèi)聯(lián)的重要性要高于其它優(yōu)化措施。方法內(nèi)聯(lián)的目的主要有兩個(gè)，一是去除方法調(diào)用的成本(比如建立棧幀)，二是為其它優(yōu)化建立良好的基礎(chǔ)，方法內(nèi)聯(lián)膨脹之后可以便于更大范圍上采取后續(xù)的優(yōu)化手段，從而獲得更好的優(yōu)化效果。因此，各種編譯器一般都會把內(nèi)聯(lián)優(yōu)化放在優(yōu)化序列的最前面。內(nèi)聯(lián)優(yōu)化后的代碼如下：

public void foo() {

y = b.value;

z = b.value;

sum = y + z;

}

第二步進(jìn)行冗余消除，代碼中「z = b.value;」可以被替換成「z = y」。這樣就不用再去訪問對象 b 的局部變量。如果把 b.value 看做是一個(gè)表達(dá)式，那也可以把這項(xiàng)優(yōu)化工作看成是公共子表達(dá)式消除。優(yōu)化后的代碼如下：

public void foo() {

y = b.value;

z = y;

sum = y + z;

}

第三步進(jìn)行復(fù)寫傳播，因?yàn)檫@段代碼里沒有必要使用一個(gè)額外的變量 z，它與變量 y 是完全等價(jià)的，因此可以使用 y 來代替 z。復(fù)寫傳播后的代碼如下：

public void foo() {

y = b.value;

y = y;

sum = y + y;

}

第四步進(jìn)行無用代碼消除。無用代碼可能是永遠(yuǎn)不會執(zhí)行的代碼，也可能是完全沒有意義的代碼。因此，又被形象的成為「Dead Code」。上述代碼中 y = y 是沒有意義的，因此進(jìn)行無用代碼消除后的代碼是這樣的：

public void foo() {

y = b.value;

sum = y + y;

}

經(jīng)過這四次優(yōu)化后，最新優(yōu)化后的代碼和優(yōu)化前的代碼所達(dá)到的效果是一致的，但是優(yōu)化后的代碼執(zhí)行效率會更高。編譯器的這些優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)起來是很復(fù)雜的，但是想要理解它們還是很容易的。接下來我們再講講如下幾項(xiàng)最有代表性的優(yōu)化技術(shù)是如何運(yùn)作的，它們分別是：

公共子表達(dá)式消除；

數(shù)組邊界檢查消除；

方法內(nèi)聯(lián)；

逃逸分析。

公共子表達(dá)式消除

如果一個(gè)表達(dá)式 E 已經(jīng)計(jì)算過了，并且從先前的計(jì)算到現(xiàn)在 E 中所有變量的值都沒有發(fā)生變化，那么 E 的這次出現(xiàn)就成了公共子表達(dá)式。對于這種表達(dá)式，沒有必要花時(shí)間再對它進(jìn)行計(jì)算，只需要直接使用前面計(jì)算過的表達(dá)式結(jié)果代替 E 就好了。如果這種優(yōu)化僅限于程序的基本塊內(nèi)，便稱為局部公共子表達(dá)式消除，如果這種優(yōu)化的范圍覆蓋了多個(gè)基本塊，那就稱為全局公共子表達(dá)式消除。

數(shù)組邊界檢查消除

如果有一個(gè)數(shù)組 array[]，在 Java 中訪問數(shù)組元素 array[i] 的時(shí)候，系統(tǒng)會自動(dòng)進(jìn)行上下界的范圍檢查，即檢查 i 必須滿足 i >= 0 && i < array.length，否則會拋出一個(gè)運(yùn)行時(shí)異常：java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException，這就是數(shù)組邊界檢查。

對于虛擬機(jī)執(zhí)行子系統(tǒng)來說，每次數(shù)組元素的讀寫都帶有一次隱含的條件判定操作，對于擁有大量數(shù)組訪問的程序代碼，這是一種不小的性能開銷。為了安全，數(shù)組邊界檢查是必須做的，但是數(shù)組邊界檢查并不一定每次都要進(jìn)行。比如在循環(huán)的時(shí)候訪問數(shù)組，如果編譯器只要通過數(shù)據(jù)流分析就知道循環(huán)變量是不是在區(qū)間 [0, array.length] 之內(nèi)，那在整個(gè)循環(huán)中就可以把數(shù)組的上下界檢查消除。

方法內(nèi)聯(lián)

方法內(nèi)聯(lián)前面已經(jīng)通過代碼分析介紹過，這里就不再贅述了。

逃逸分析

逃逸分析不是直接優(yōu)化代碼的手段，而是為其它優(yōu)化手段提供依據(jù)的分析技術(shù)。逃逸分析的基本行為就是分析對象的動(dòng)態(tài)作用域：當(dāng)一個(gè)對象在方法中被定義后，它可能被外部方法所引用，例如作為調(diào)用參數(shù)傳遞到其它方法中，稱為方法逃逸。甚至還有可能被外部線程訪問到，例如賦值給類變量或可以在其他線程中訪問的實(shí)例變量，稱為線程逃逸。

如果能證明一個(gè)對象不會逃逸到方法或者線程之外，也就是別的方法和線程無法通過任何途徑訪問到這個(gè)方法，則可能為這個(gè)變量進(jìn)行一些高效優(yōu)化。比如：

棧上分配：如果確定一個(gè)對象不會逃逸到方法之外，那么就可以在棧上分配內(nèi)存，對象所占的內(nèi)存空間就可以隨棧幀出棧而銷毀。通常，不會逃逸的局部對象所占的比例很大，如果能棧上分配就會大大減輕 GC 的壓力。

同步消除：如果逃逸分析能確定一個(gè)變量不會逃逸出線程，無法被其它線程訪問，那這個(gè)變量的讀寫就不會有多線程競爭的問題，因而變量的同步措施也就可以消除了。

標(biāo)量替換：標(biāo)量是指一個(gè)數(shù)據(jù)無法再拆分成更小的數(shù)據(jù)來表示了，Java 虛擬機(jī)中的原始數(shù)據(jù)類型都不能再進(jìn)一步拆分，所以它們就是標(biāo)量。相反，一個(gè)數(shù)據(jù)可以繼續(xù)分解，那它就稱作聚合量，Java 中的對象就是聚合量。如果把一個(gè) Java 對象拆散，根據(jù)訪問情況將其使用到的成員變量恢復(fù)成原始類型來訪問，就叫標(biāo)量替換。如果逃逸分析證明一個(gè)對象不會被外部訪問，并且這個(gè)對象可以被拆散，那程序執(zhí)行的時(shí)候就可能不創(chuàng)建這個(gè)對象，而改為直接創(chuàng)建它的若干個(gè)被這個(gè)方法使用到的成員變量來替代。對象被拆分后，除了可以讓對象的成員變量在棧上分配和讀寫，還可以為后續(xù)進(jìn)一步的優(yōu)化手段創(chuàng)造條件。

總結(jié)

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