程序编译与代码优化

概述

编译器是一段“不确定”的操作过程

编译器类型

1. 前端编译器：将Java代码编译为class字节码

• 代表：sun公司的javac(Java语言编写)、Eclipse JDT中的增量编译器ECJ

2. 后端编译器（JIT编译器）：将字节码转变为机器码

• 代表： HotSpot VM的C1、C2编译器

3. 静态提前编译器（AOT编译器 Ahead of Time Compiler）：将Java代码编译为机器码
   -代表：GNU Compiler for the java、Excelsior JET

1. 早期（编译期）优化

主要说明Sun Javac的大概编译过程

1. 解析与填充符号表过程
   1.1 解析：
   1.1.1 词法分析：将源代码的字符流转为标记（Token）集合（例如：关键字，变量名，运算符，字面量）
   1.1.2 语法分析：根据Token序列构造抽象语法树，语法树的每一个节点都是一个语法结构（例如：包，类型，修饰符，运算符，接口，返回值，代码注释）
   1.2 符号表填充：符号表由符号地址和符号信息组成的表格（可以看成K-V键值对）
2. 注解处理
   插入式注解处理器的标准API在编译期间对注解进行处理
3. 分析与生成字节码
   因为由于由语法分析所生成的抽象语法树不能保证逻辑性，故而语义分析是对正确性的审查

int a =1;
boolean b = false;
int c = a+b;//编译不能通过

• 3.1 标注检查
  主要检查：变量使用前是否已经被声明、变量与赋值之间的数据类型是否能匹配
• 3.2 数据及控制流分析
  主要检查：对程序的上下文更进一步的验证，如：局部变量在使用前是否已经赋值、方法的每条路径是否都有返回值、是否所有的受检异常都被正确的处理等问题

//这里的两个方法，编译出的字节码没有一点区别，只是有final修饰的不能被改变
public void test(final int a) {}
public void test(int a) {}

• 3.3 解语法糖
  泛型擦除（实际上就是将结果强转）、变长参数、自动装箱/拆箱、内部类、枚举类、断言语句、对枚举和字符串的支持、try语句定义和关闭资源等
  条件编译：使用条件为常量的if语句

//1. 
public static void main (String[] args) {
    if (true) {
        System.out.println("1");
    } else {
         System.out.println("2");
      }
}
//在编译之后的结果
public static void main (String[] args) {
    System.out.println("1");   
}
//2. 下面语句将会拒绝编译
public static void main(String[] args) {
        while (false) {
            System.out.println("错误");
        }
    }

4. 字节码生成
   字节码生成不仅仅将前面步骤生成的信息转换为字节码写到磁盘中，还要进行少量的代码添加和转换工作

2. 晚期（运行期）优化

部分商用虚拟机（Sun HotSpot、IBM J9）中，Java程序最初通过解释器（interpreter）解释执行，当虚拟机发现某个方法或者代码运行特别频繁时，就会把这些代码定义为“热点代码”。为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化。完成这个任务的编译器就是即时编译器（JIT just int time complier）
JRockit没有解释器，因此启动时间较长

1. 为何HotSpot 虚拟机要使用解释器与编译器并存的架构？
   两种编译器各有优势： 解释器：启动快、执行快； 编译器：执行效率高
   Client模式启动速度较快，Server模式启动较慢，但是启动进入稳定期长期运行之后Server模式的程序运行速度比Client要快很多
2. 为何HotSpot 虚拟机要实现两个不同的即使编译器？
   client compiler：获取更快的编译速度；server compiler：获取更好的编译质量。具体使用哪种，虚拟机会根据自身版本和宿主机的硬件性能自由选择，当然也可以强制运行某种模式，无论编译器采用client compiler 还是server compiler，解释器与编译器搭配使用都称为“混合模式（mixed mode）”，也可以强制虚拟机运行编译模式(-Xcomp)或者解释模式(-Xint)

MacBook-Pro:~ shizhenshuang$ java -version
java version "1.8.0_231"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_231-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.231-b11, mixed mode)
MacBook-Pro:~ shizhenshuang$ java -Xint -version
java version "1.8.0_231"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_231-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.231-b11, interpreted mode)
MacBook-Pro:~ shizhenshuang$ java -Xcomp -version
java version "1.8.0_231"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_231-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.231-b11, compiled mode)

3. 程序什么时候用解释器执行？什么时候用编译器执行？
   当程序刚开始启动的时候，解释器优先执行，省去编译时间，当程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码。那么，什么时候编译器开始执行呢？

编译对象（热点代码）与触发条件

• 被多次调用的方法
• 被多次调用的循环体（实际编译的事整个方法）
  方法替换使用的是栈上替换（On Stack Replacement）

判断一段代码是不是热点代码，是否需要触发即时编译，这样的行为成为热点探测。热点探测目前流行的有两种方法

1. 基于采样的热点探测
   虚拟机周期性检查各个线程的栈顶，如果出现某个（或某些）方法经常出现在栈顶，那就是热点方法
2. 基于计数器的热点探测
   虚拟机为某个方法或者代码块建立计数器，统计执行次数，如果执行次数超过一定的阈值就认为它是热点代码。（阈值：client模式是1500，server模式是10000，可以通过参数：-XX：CompileThreshold 设置）
   计数器又分为：
   2.1 方法调用计数器

方法调用计数器触发即时编译

2.2 回边计数器

回边计数器触发编译条件

4. 如何从外部观察即时编译器编译过程和编译结果？
   使用debug，fastdebug版本的虚拟机（JDK6u25之后就不提供下载了），运行时，添加参数-XX：+PrintCompilation
5. 编译优化项
   代表

• 1 方法内联：1. 除去方法调用的成本；2. 为其他优化建立良好的基础

class A {
    int age;

    public int getAge() {
        return age;
    }
}
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        int y = a.getAge();
    }
//优化后的代码如下（用Java代码表示）
  public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        int y = a.age;
    }

• 2 消除冗余代码
• 3 代码复写传播

int y = 2;
z = y;
int sum = y+ z;
//复写传播
y=y;
int sum = y+y;
//消除冗余代码后
int sum = y+y;

典型代表
1. 公共子表达式消除：如果一个表达式E已经计算过了，并且从先前的计算到现在E中的所有变量的值都没有改变，那么E的这次出现就成为了公共子表达式，也就没必要再花时间对他进行计算了（若a+b=c, 则int i = a+b+1 --> int i = c+1）
2. 数组范围检查消除：1. 编译时检查，2. 通过数据流分析
3. 方法内联：就是把目标方法的代码拷贝到调用方，避免发生真实的方法调用
4. 逃逸分析（JDK1.6开始）：它并不是直接优化代码的手段，而是为其他优化手段提供依据的分析技术。逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域。当一个对象在方法中被定义，通过参数的形式传递到其他方法中，称为方法逃逸。甚至有可能被外部线程访问到，譬如赋值给类变量或在其他线程中访问实例变量，称为线程逃逸。如果能够确定一个对象不会逃逸到方法或者线程之外，则可以为这个对象做一些高效的优化
4.1 栈上分配：将对象分配在栈上，内存空间随着栈帧出栈而销毁，减少gc回收的压力
4.2 同步消除：如果确定一个对象不会逃逸出线程，就无须对这个对象实施通过的措施（线程同步是一个相对耗时的过程）
4.3 标量替换：标量是指不能再拆解的数据类型，如原始数据类型。如果一个数据还能被分解，它就称为聚合量，如对象。标量替换就是将对象的成员变量替换为原始的数据类型。逃逸分析证明一个对象不会被外部访问，并且这个对象可以被拆解，那么程序执行的时候可能就不会真正的创建这个对象，而是创建它的若干个被这个方法访问的成员变量

6. Java与C++的编译器对比
   即：即时编译器与静态编译器的对比

• 1. 即时编译器占用的是用户运行的时间，具有很大的时间压力。而编译时间成本在静态编译器中并不是主要关注点
• 2. Java语言是动态类型安全语言。这就意味着由虚拟机来确保程序不会违反语义和非结构化内存，这就使得虚拟机得频繁的动态检查空指针，数组下标范围，类型转换等
• 3. Java中虽然没有virtual关键字，但是接受者进行动态选择的频率要远远大于C/C++语言，优化难度要大于静态编译器
• 4. Java语言是动态扩展语言，运行时加载新的类可能会改变程序类型的继承关系
• 5. Java语言中的对象都是在堆上分配，只有方法中的局部变量才在栈上分配。而C/C++则有多种内存分配，既可以在堆上，也可以在栈上。C/C++主要是用户程序代码回收内存分配，因此效率上要高于Java