编译器优化-逃逸分析

Posted 2021-05-12 Java私房菜

Java对象实例和数组元素都是在堆上分配内存的吗？

答：不一定，满足特定条件的时候，它们可以在（虚拟机）栈上分配内存。

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这和我们平时理解的可能有些不同，虚拟机栈一般是用来存储基本数据类型、

这是因为Java JIT（just-in-time）编译器进行的两项优化，分别称作逃逸分析（escape analysis）和标量替换（scalar replacement）；

在《深入理解Java虚拟机》中关于Java堆内存有这样一段描述：随着JIT编译器的发展与逃逸分析技术逐渐成熟，栈上分配、标量替换优化技术将会导致一些微妙的变化，所有的对象都分配到堆上也渐渐变得不那么绝对了。

中文维基上对逃逸分析的描述为：

在编译程序优化理论中，逃逸分析是一种确定指针动态范围的方法，分析在程序的哪些地方可以访问到指针。当一个变量或对象在子程序中被分配时，一个指向变量的指针可能逃逸到其他执行的线程中去，或者是返回调用者子程序。

逃逸分析确定指针可以存储的所有地方，以及确定能否保证指针的生命周期只在当前进程或线程中。

简单来说：JVM中的逃逸分析可以通过分析对象引用的使用范围（即动态作用域），来决定是否要在堆上分配内存，也可以作一些其他方面的优化。

static StringBuilder getStringBuilder1(String a, String b) {    StringBuilder builder = new StringBuilder(a);    builder.append(b);    return builder; // builder通过方法返回值逃逸到外部} static String getStringBuilder2(String a, String b) {    StringBuilder builder = new StringBuilder(a);    builder.append(b);    return builder.toString(); // builder范围维持在方法内部，未逃逸}

以JDK 1.8为例，可以通过设置JVM参数-XX:+DoEscapeAnalysis、-XX:-DoEscapeAnalysis来开启或关闭逃逸分析（默认当然是开启的）。

下面是一个没有逃逸分析的例子：

public class EscapeAnalysisTest {  public static void main(String[] args) throws Exception {    long start = System.currentTimeMillis();    for (int i = 0; i < 5000000; i++) {      allocate();    }    System.out.println((System.currentTimeMillis() - start) + " ms");    Thread.sleep(600000);  }   static void allocate() {    MyObject myObject = new MyObject(2019, 2019.0);  }   static class MyObject {    int a;    double b;     MyObject(int a, double b) {      this.a = a;      this.b = b;    }  }}

然后通过开启和关闭DoEscapeAnalysis开关观察不同。

关闭逃逸分析

~ java -XX:-DoEscapeAnalysis EscapeAnalysisTest76 ms~ jmap -histo 26031 num #instances #bytes class name----------------------------------------------   1: 5000000      120000000  me.lmagics.EscapeAnalysisTest$MyObject   2: 636       12026792  [I   3: 3097        1524856  [B   4: 5088         759960  [C   5: 3067          73608  java.lang.String   6: 623          71016  java.lang.Class   7: 727          43248  [Ljava.lang.Object;   8: 532          17024  java.io.File   9: 225          14400  java.net.URL  10: 334          13360  java.lang.ref.Finalizer# ......

开启逃逸分析

~ java -XX:+DoEscapeAnalysis EscapeAnalysisTest4 ms~ jmap -histo 26655 num #instances #bytes class name----------------------------------------------   1: 592       11273384  [I   2: 90871        2180904  me.lmagics.EscapeAnalysisTest$MyObject   3: 3097        1524856  [B   4: 5088         759952  [C   5: 3067          73608  java.lang.String   6: 623          71016  java.lang.Class   7: 727          43248  [Ljava.lang.Object;   8: 532          17024  java.io.File   9: 225          14400  java.net.URL  10: 334          13360  java.lang.ref.Finalizer

可见，关闭逃逸分析之后，堆上有5000000个MyObject实例，而开启逃逸分析之后，就只剩下90871个实例了，不管是实例数还是内存占用都只有原来的2%不到。

另外，如果把堆内存限制得小一点（比如加上-Xms10m -Xmx10m），并且打印GC日志（-XX:+PrintGCDetails）的话，关闭逃逸分析还会造成频繁的GC，开启逃逸分析就没有这种情况。这说明逃逸分析确实降低了堆内存的压力。

所谓标量，就是指JVM中无法再细分的数据，比如int、long、reference等。相对地，能够再细分的数据叫做聚合量。

仍然考虑上面的例子，MyObject就是一个聚合量，因为它由两个标量a、b组成。通过逃逸分析，JVM会发现myObject没有逃逸出allocate()方法的作用域，标量替换过程就会将myObject直接拆解成a和b，也就是变成了：

static void allocate() {    int a = 2019;    double b = 2019.0;}

可见，对象的分配完全被消灭了，而int、double都是基本数据类型，直接在栈上分配就可以了。所以，在对象不逃逸出作用域并且能够分解为纯标量表示时，对象就可以在栈上分配。

JVM提供了参数-XX:+EliminateAllocations来开启标量替换，默认仍然是开启的。显然，如果把它关掉的话，就相当于禁止了栈上内存分配，只有逃逸分析是无法发挥作用的。

在Debug版JVM中，还可以通过参数-XX:+PrintEliminateAllocations来查看标量替换的具体情况。

除了标量替换之外，通过逃逸分析还能实现同步消除

举个例子：

private void someMethod() {    Object lockObject = new Object();    synchronized (lockObject) {      System.out.println(lockObject.hashCode());    }}

lockObject这个锁对象的生命期只在someMethod()方法中，并不存在多线程访问的问题，所以synchronized块并无意义，会被优化掉：

private void someMethod() {    Object lockObject = new Object();    System.out.println(lockObject.hashCode());}