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Java代码的高效执行

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《Oracle JRockit: The Definitive Guide》一书是由Oracle JRockit的两位资深开发人员写的,其中的Marcus Hirt更是JRockit Mission Control的leader,这本书详细的对Oracle JRockit进行了介绍,最突出的特点非常系统化的介绍了一个JVM通常是如何实现的,而JRockit这样一个极为优秀的JVM又是做了哪些优化,为什么做这些优化,这本书对于对JVM感兴趣的同学而言应该是必读的一本书,其实即使对于JVM兴趣不强的同学,里面的优化思路的介绍也是值得学习。

书的第二章为:Adaptive Code Generation,在这章中作者向我们讲解了一个优秀的JVM是如何来实现代码的高效执行的,感兴趣的同学其实可以在不看下面blog内容之前,先考虑下如果是你做的话,你会怎么做来实现Java代码的高效执行呢,然后再对比下这章的内容,我想你能学到很多的,:)

用过Java的同学都知道,Java是通过javac将Java源码编译为class文件,然后通过ClassLoader装载此class文件,之后就可执行此class了,要最高效的执行这个class,最好的方法莫过于class文件直接就是机器码,这样直接执行就可以了,但Java是跨平台的,因此class文件就不能是机器码了。

由于class文件不是直接的机器码,要执行它最简单的方法就是采用纯粹的解释方式,解释方式由于每次都得将class文件中的指令翻译为对应的机器环境的指令,效率是很低的。

为了能更高效的执行,同时又保持跨平台的特性,另外一个方法就是在执行class时再将其翻译为对应的机器码,这个方法是比较靠谱的,因此无论是Hotspot、还是JRockit,都采用了这种方式,也就是大家熟知的JIT(Just In Time) Compiler。

OK,既然觉得在装载class后翻译成机器码去执行可以比较高效,那这个时候又会出现两种状况,是执行class的时候就立刻翻译成机器码,还是先用解释模式执行,然后到一定时机再翻译成机器码呢,之所以出现这两种状况,原因在于将class翻译为机器码是需要消耗时间的,因此如果执行class的时候就立刻翻译成机器码的话,也就会导致Java程序启动速度会比较慢,JRockit是这么认为的,JRockit的服务对象是server级应用,这类应用的特点是没那么在乎启动速度,而更在乎的是执行时的高效,而且如果执行的时候就立刻翻译成机器码的话,就意味着压根不需要实现解释器,因此JRockit采取的方法是在执行class时直接编译为机器码,而Hotspot由于需要同时支持client和server应用,对于client应用而言,启动速度非常重要,因此Hotspot采用的是先解释执行,到了一定时机后再翻译成机器码。

如果认为就这样就完成了Java代码的执行的实现,那就太小看JVM了,由于JVM能够知道代码运行的全部状况,自然还可以做出更多更出色的提升代码执行速度的优化,例如标量替换、更好的inline等,后面再来细说,因此这样就出现了一个状况,什么时候对哪些代码来做这些更猛的优化呢。

真正值得做更猛的优化的代码自然是所谓的”热点”代码,如何来发现哪些代码是热点代码呢,通常有三种方法:

1、方法调用计数器
方法调用计数器是常见的方式,hotspot采用的即为这种,这种方式不好的地方就在于计数器本身经常是cpu cache misses的,因此稍微会有点影响性能。

2、对线程进行采样
可采用软件或硬件方式来实现,软件方式实现不好的地方在于采样的时候需要暂停线程,好处是因为是采样,不需要对所有方法进行计数,硬件方式自然是最好的,但不是所有的硬件都支持的,支持的硬件中最典型的是intel IA-64的CPU。

在有了发现热点代码的方法后,接下来需要做的就是更猛的优化,有很多种,例如Java的代码中,通常会是接口方式的调用,但因为是接口方式的调用,所以其实默认情况下是不好做inline处理的,但JVM为了更高效的执行代码,如发现这代码为热点代码,那么就会做一些激进的优化,例如会假设这个接口只有一个实现,然后就可以直接将此实现对应的代码inline进来了(至于为什么inline后效率更高,这个请参考编译原理之类的书),这些激进优化同样适合于if、抛异常这些状况,当然,当激进优化的条件失效时,就会逆优化回到之前基本编译的代码。

而其他的更猛的优化还包括根据线程执行路径进行逃逸分析等,后面再专门写一篇blog来讲解下一些翻译为机器码的优化吧,其实大多都是编译原理的一些东西。

书中在介绍JRockit如何实现自己的JIT Compiler时,提到了Bytecode混淆以及bytecode优化,JRockit的态度是bytecode混淆时将name进行混淆是靠谱的,但如果对control flow进行混淆,就不太好了,因为这有可能会导致jit compile时的有些优化也做不了了,而bytecode优化,JRockit的态度是应该避免,因为没什么太大的意义,更主要的优化还是得靠jit compiler。

JRockit的JIT Compiler的实现和Hotspot另外一个很大的不同在于JRockit并未采用on-stack replacement,据JRockit的研究,这个没有太大必要,当然,对于编写benchmark代码时则要注意这个不同。

JIT Compiler在compile时还需要考虑的几个重点问题:
1、为GC提供必要的信息;
2、为查错提供必要的信息,例如代码的行数、变量名等;

从这章的内容可以看到,JRockit为了能够让Java代码能够高效的执行,是做出了非常多的努力的,也可以看到很多JRockit与Hotspot不同的地方,甚至可以看出Java代码的执行比C代码的执行高效都是有可能的,:)。

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