面试官:什么是JIT、逃逸分析、锁消除、栈上分配和标量替换?

简介: 面试官:什么是JIT、逃逸分析、锁消除、栈上分配和标量替换?

JIT、逃逸分析、锁消除、栈上分配和标量替换等都属于 JVM 的优化手段,JVM 优化手段是指在运行 Java 程序时,通过对字节码的编译和执行过程进行优化,以提升程序的性能和效率。

JVM 优化手段主要有以下几个:

  1. JIT(Just-In-Time,即时编译):是一种在程序运行时将部分热点代码编译成机器代码的技术,以提高程序的执行性能的机制。
  2. 逃逸分析:用于确定对象动态作用域是否超过当前方法或线程,通过逃逸分析,编译器可以决定一个对象的作用范围,从而进行相应的优化,但确定对象没有逃逸时,可以进行以下优化:
    1. 栈上分配:如果编译器可以确定一个对象不会逃逸出方法,它可以将对象分配在栈上而不是堆上。在栈上分配的对象在方法返回后就会自动销毁,不需要进行垃圾回收,提高了程序的执行效率。
    2. 锁消除:如果对象只在单线程中使用,那么同步锁可能会被消除,提高程序性能。
    3. 标量替换:将原本需要分配在堆上的对象拆解成若干个基础数据类型存储在栈上,进一步减少堆空间的使用。
  3. 字符串池(String Pool)优化:JVM 通过共享字符串常量,重用字符串对象,以减少内存占用和提升字符串操作的性能。

    1.JIT优点和热点代码

    JIT 优点包含以下两个:

  4. 性能优化:由于编译成本地机器代码,程序的执行速度通常比解释性执行或预编译的代码要快得多。

  5. 平台无关性:JIT 编译器可以根据不同的硬件平台生成不同的机器代码,使得相同的程序可以在不同的计算机上运行,而无需重新编写。

    什么是热点代码?

    在 HotSpot 虚拟机中,热点代码(Hot Code)是指那些被频繁执行的代码。
    热点代码的执行次数在不同的 JDK 版本和不同的 JVM 中是不同的,例如,它在 JDK 21 Client 模式下为 1500 次,Server 模式下为 10000 次,这个值可以通过 JVM 参数设置。
    通常来说,热点代码的识别基于以下两种策略:

  6. 方法调用次数:当一个方法被调用一定次数后,会被视为热点代码并触发即时编译。这个次数在不同 JDK 版本中可能有所变化,并且可以通过 JVM 参数 -XX:CompileThreshold 进行设置。

  7. 回边计数:对于循环体等热点区域,通过统计从循环体返回到循环条件检查点的次数(即回边次数),达到一定次数也会触发即时编译。同样,这个阈值也可以通过 JVM 参数 -XX:OnStackReplacePercentage 进行设置。回边计数器有一个计算公式【回边计数器阈值=方法调用计数器阈值 (OnStackReplacePercentage - InterpreterProfilePercentage)】,通过计算,在 JDK 21 Server 模式下,虚拟机回边计数器的阈值为 10700【10000(140-33)】。

可以使用 java -XX:+PrintFlagsFinal -version 命令查看 JVM 默认配置。

2.栈上分配 VS 标量替换

栈上分配和标量替换是编译器的两种优化技术,它们虽然有一些相似之处,但并不完全相同。

  • 栈上分配(Stack Allocation):一种优化技术,它将对象分配在栈上而不是堆上。这种技术适用于编译器可以确定对象不会逃逸出方法,并且对象的生命周期在方法内部结束的情况。通过在栈上分配对象,可以避免在堆上进行内存分配和垃圾回收的开销,从而提高程序的性能和内存使用效率。
  • 标量替换(Scalar Replacement):与栈上分配类似,也是一种优化技术。它将一个复杂对象拆分成独立的成员变量,使其成为基本类型或基本类型数组的局部变量。这种技术适用于编译器可以确定对象的成员变量不会逃逸的情况。标量替换可以提供更细粒度的控制,使得编译器可以对独立的成员变量进行更精细的优化,例如寄存器分配和代码优化。

也就是说栈上分配,只是将对象从堆上分配到栈上了;而标量替换是更进一步的优化技术,将对象拆解成基本类型分配到栈上了。

2.1 锁消除代码演示

锁消除(Lock Elimination)也叫做同步消除,是一种编译器优化技术,它可以消除对于变量的不必要的锁定操作。锁消除的目的是减少锁的开销,提高程序的性能。
例如以下代码:

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

而锁消除之后的代码如下:

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

2.2 标量替换代码演示

未优化前的代码如下:

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;
}

标量替换优化后的代码如下:

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

通过逃逸分析的优化能够减少垃圾回收的压力、减少内存分配和释放带来的性能损耗,并且有可能减少对锁的依赖,以及实现标量替换等,从而整体上提升了应用程序的运行效率。

课后思考

Java 为什么不把所有代码提前都编译成二进制的机器码呢?这样岂不是运行更快?新 Java 虚拟机 GraalVM 中的 AOT 和 JIT 又有什么区别呢?

本文已收录到我的面试小站 www.javacn.site,其中包含的内容有:Redis、JVM、并发、并发、MySQL、Spring、Spring MVC、Spring Boot、Spring Cloud、MyBatis、设计模式、消息队列等模块。

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