Java虚拟机之逃逸分析

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在Java的编译体系中，一个Java的源代码文件变成计算机可执行的机器指令的过程中，需要经过两段编译：

  • 第一段是把.java文件转换成.class文件。
  • 第二段编译是把.class转换成机器指令的过程。

第一段编译就是javac命令。在第二编译阶段，JVM 通过解释字节码将其翻译成对应的机器指令，逐条读入，逐条解释翻译。很显然，经过解释执行，其执行速度必然会比可执行的二进制字节码程序慢很多。这就是传统的JVM的解释器（Interpreter）的功能。为了解决这种效率问题，引入了 JIT（即时编译） 技术。

引入了 JIT 技术后，Java程序还是通过解释器进行解释执行，当JVM发现某个方法或代码块运行特别频繁的时候，就会认为这是“热点代码”（Hot Spot Code)。然后JIT会把部分“热点代码”翻译成本地机器相关的机器码，并进行优化，然后再把翻译后的机器码缓存起来，以备下次使用。

由于关于JIT编译和热点检测的内容，我在深入分析Java的编译原理中已经介绍过了，这里就不在赘述，本文主要来介绍下JIT中的优化。JIT优化中最重要的一个就是逃逸分析。

什么是逃逸分析

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。它涉及到 指针分析 和 形状分析。

如果一个子程序分配一个对象并返回一个该对象的指针，该对象可能在程序中被访问到的地方无法确定——这样指针就成功“逃逸”了。如果指针存储在全局变量或者其它数据结构中，因为全局变量是可以在当前子程序之外访问的，此时指针也发生了逃逸。

逃逸分析确定某个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在其它线程中。

目前Java的逃逸分析只发在JIT的即时编译中，因为收集到足够的运行数据JVM可以更好的判断对象是否发生了逃逸。关于JIT即时编译可参考JVM系列之走进JIT。

JVM判断新创建的对象是否逃逸的依据

  1. 对象被赋值给 堆中对象的字段 和 类的静态变量。
  2. 对象被传进了 不确定的代码 中去运行。

如果满足了以上情况的任意一种，那这个对象JVM就会判定为逃逸。

对于第一种情况，因为对象被放进堆中，则其它线程就可以对其进行访问，所以对象的使用情况，编译器就无法再进行追踪。

第二种情况相当于JVM在解析普通的字节码的时候，如果没有发生JIT即时编译，编译器是不能事先完整知道这段代码会对对象做什么操作。保守一点，这个时候也只能把对象是当作是逃逸来处理。

下面举几个例子

public class EscapeTest {

    public static Object globalVariableObject;

    public Object instanceObject;

    public void globalVariableEscape(){
        globalVariableObject = new Object(); //静态变量,外部线程可见,发生逃逸
    }

    public void instanceObjectEscape(){
        instanceObject = new Object(); //赋值给堆中实例字段,外部线程可见,发生逃逸
    }
    
    public Object returnObjectEscape(){
        return new Object();  //返回实例,外部线程可见，发生逃逸
    }

    public void noEscape(){
        synchronized (new Object()){
            //仅创建线程可见,对象无逃逸
        }
        Object noEscape = new Object();  //仅创建线程可见,对象无逃逸
    }

}

逃逸分析

关于逃逸分析的概念，可以参考对象和数组并不是都在堆上分配内存的。一文，这里简单回顾一下：

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后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他地方中，称为方法逃逸。

例如以下代码：

public static StringBuffer craeteStringBuffer(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb;
}

public static String createStringBuffer(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb.toString();
}

第一段代码中的sb就逃逸了，而第二段代码中的sb就没有逃逸。 使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

  1. 同步省略。如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。
  2. 将堆分配转化为栈分配。如果一个对象在子程序中被分配，要使指向该对象的指针永远不会逃逸，对象可能是栈分配的候选，而不是堆分配。
  3. 分离对象或标量替换。有的对象可能不需要作为一个连续的内存结构存在也可以被访问到，那么对象的部分（或全部）可以不存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。

在Java代码运行时，通过JVM参数可指定是否开启逃逸分析，

-XX:+DoEscapeAnalysis ： 表示开启逃逸分析
-XX:-DoEscapeAnalysis ： 表示关闭逃逸分析 从jdk 1.7开始已经默认开始逃逸分析，如需关闭，
                         需要指定-XX:-DoEscapeAnalysis

逃逸分析并不成熟

关于逃逸分析的论文在1999年就已经发表了，但直到JDK 1.6才有实现，而且这项技术到如今也并不是十分成熟的。

其根本原因就是无法保证逃逸分析的性能消耗一定能高于他的消耗。虽然经过逃逸分析可以做 标量替换、栈上分配、和 锁消除。但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的，这其实也是一个相对耗时的过程。

一个极端的例子，就是经过逃逸分析之后，发现没有一个对象是不逃逸的。那这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了。

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