面試官：什么是JIT、逃逸分析、鎖消除、棧上分配和標(biāo)量替換？

作者：磊哥 2024-01-31 09:50:10

在 HotSpot 虛擬機(jī)中，熱點(diǎn)代碼（Hot Code）是指那些被頻繁執(zhí)行的代碼。熱點(diǎn)代碼的執(zhí)行次數(shù)在不同的 JDK 版本和不同的 JVM 中是不同的，例如，它在 JDK 21 Client 模式下為 1500 次，Server 模式下為 10000 次，這個(gè)值可以通過(guò) JVM 參數(shù)設(shè)置。

JVM（Java 虛擬機(jī)）優(yōu)化手段是指在運(yùn)行 Java 程序時(shí)，通過(guò)對(duì)字節(jié)碼的編譯和執(zhí)行過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，以提升程序的性能和效率。

JVM 優(yōu)化手段主要有以下幾個(gè)：

JIT（Just-In-Time，即時(shí)編譯）：是一種在程序運(yùn)行時(shí)將部分熱點(diǎn)代碼編譯成機(jī)器代碼的技術(shù)，以提高程序的執(zhí)行性能的機(jī)制。
逃逸分析：用于確定對(duì)象動(dòng)態(tài)作用域是否超過(guò)當(dāng)前方法或線程，通過(guò)逃逸分析，編譯器可以決定一個(gè)對(duì)象的作用范圍，從而進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，但確定對(duì)象沒(méi)有逃逸時(shí)，可以進(jìn)行以下優(yōu)化：

棧上分配：如果編譯器可以確定一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸出方法，它可以將對(duì)象分配在棧上而不是堆上。在棧上分配的對(duì)象在方法返回后就會(huì)自動(dòng)銷(xiāo)毀，不需要進(jìn)行垃圾回收，提高了程序的執(zhí)行效率。
鎖消除：如果對(duì)象只在單線程中使用，那么同步鎖可能會(huì)被消除，提高程序性能。
標(biāo)量替換：將原本需要分配在堆上的對(duì)象拆解成若干個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類(lèi)型存儲(chǔ)在棧上，進(jìn)一步減少堆空間的使用。

字符串池（String Pool）優(yōu)化：JVM 通過(guò)共享字符串常量，重用字符串對(duì)象，以減少內(nèi)存占用和提升字符串操作的性能。

1、JIT優(yōu)點(diǎn)和熱點(diǎn)代碼

JIT 優(yōu)點(diǎn)包含以下兩個(gè)：

性能優(yōu)化：由于編譯成本地機(jī)器代碼，程序的執(zhí)行速度通常比解釋性執(zhí)行或預(yù)編譯的代碼要快得多。
平臺(tái)無(wú)關(guān)性：JIT 編譯器可以根據(jù)不同的硬件平臺(tái)生成不同的機(jī)器代碼，使得相同的程序可以在不同的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，而無(wú)需重新編寫(xiě)。

什么是熱點(diǎn)代碼？

方法調(diào)用次數(shù)：當(dāng)一個(gè)方法被調(diào)用一定次數(shù)后，會(huì)被視為熱點(diǎn)代碼并觸發(fā)即時(shí)編譯。這個(gè)次數(shù)在不同 JDK 版本中可能有所變化，并且可以通過(guò) JVM 參數(shù) -XX:CompileThreshold 進(jìn)行設(shè)置。
回邊計(jì)數(shù)：對(duì)于循環(huán)體等熱點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)統(tǒng)計(jì)從循環(huán)體返回到循環(huán)條件檢查點(diǎn)的次數(shù)（即回邊次數(shù)），達(dá)到一定次數(shù)也會(huì)觸發(fā)即時(shí)編譯。同樣，這個(gè)閾值也可以通過(guò) JVM 參數(shù) -XX:OnStackReplacePercentage 進(jìn)行設(shè)置。回邊計(jì)數(shù)器有一個(gè)計(jì)算公式【回邊計(jì)數(shù)器閾值=方法調(diào)用計(jì)數(shù)器閾值*(OnStackReplacePercentage - InterpreterProfilePercentage)】，通過(guò)計(jì)算，在 JDK 21 Server 模式下，虛擬機(jī)回邊計(jì)數(shù)器的閾值為 10700【10000*(140-33)】。

可以使用 java -XX:+PrintFlagsFinal -version 命令查看 JVM 默認(rèn)配置。

2、棧上分配 VS 標(biāo)量替換

棧上分配和標(biāo)量替換是編譯器的兩種優(yōu)化技術(shù)，它們雖然有一些相似之處，但并不完全相同。

棧上分配（Stack Allocation）：一種優(yōu)化技術(shù)，它將對(duì)象分配在棧上而不是堆上。這種技術(shù)適用于編譯器可以確定對(duì)象不會(huì)逃逸出方法，并且對(duì)象的生命周期在方法內(nèi)部結(jié)束的情況。通過(guò)在棧上分配對(duì)象，可以避免在堆上進(jìn)行內(nèi)存分配和垃圾回收的開(kāi)銷(xiāo)，從而提高程序的性能和內(nèi)存使用效率。
標(biāo)量替換（Scalar Replacement）：與棧上分配類(lèi)似，也是一種優(yōu)化技術(shù)。它將一個(gè)復(fù)雜對(duì)象拆分成獨(dú)立的成員變量，使其成為基本類(lèi)型或基本類(lèi)型數(shù)組的局部變量。這種技術(shù)適用于編譯器可以確定對(duì)象的成員變量不會(huì)逃逸的情況。標(biāo)量替換可以提供更細(xì)粒度的控制，使得編譯器可以對(duì)獨(dú)立的成員變量進(jìn)行更精細(xì)的優(yōu)化，例如寄存器分配和代碼優(yōu)化。

也就是說(shuō)棧上分配，只是將對(duì)象從堆上分配到棧上了；而標(biāo)量替換是更進(jìn)一步的優(yōu)化技術(shù)，將對(duì)象拆解成基本類(lèi)型分配到棧上了。

（1）鎖消除代碼演示

鎖消除（Lock Elimination）也叫做同步消除，是一種編譯器優(yōu)化技術(shù)，它可以消除對(duì)于變量的不必要的鎖定操作。鎖消除的目的是減少鎖的開(kāi)銷(xiāo)，提高程序的性能。例如以下代碼：

public void method() {
    Object lock = new Object();
    synchronized(lock){
        System.out.println("www.javacn.site");
    }
}

而鎖消除之后的代碼如下：

public void method(){
    System.out.println("www.javacn.site");
}

（2）標(biāo)量替換代碼演示

未優(yōu)化前的代碼如下：

private static class Point {
    private int x;
    private int y;
}
public static void main(String[] args) {
    Point point = createPoint(10, 20);
    int sum = point.x + point.y;
    System.out.println("Sum: " + sum);
}
private static Point createPoint(int x, int y) {
    Point point = new Point();
    point.x = x;
    point.y = y;
    return point;
}

標(biāo)量替換優(yōu)化后的代碼如下：

public static void main(String[] args) {
    int x = 10;
    int y = 20;
    int sum = x + y;
    System.out.println("Sum: " + sum);
}

通過(guò)逃逸分析的優(yōu)化能夠減少垃圾回收的壓力、減少內(nèi)存分配和釋放帶來(lái)的性能損耗，并且有可能減少對(duì)鎖的依賴，以及實(shí)現(xiàn)標(biāo)量替換等，從而整體上提升了應(yīng)用程序的運(yùn)行效率。

責(zé)任編輯：姜華來(lái)源： Java中文社群