运行期【笔记】深入理解 Java 虚拟机：晚期优化( 四 ) _编译

公共子表达式消除
公共子表达式消除是一个普遍应用于各种编译器的经典优化技术，它的原理是：如果一个表达式 E 已经计算过了，并且从先前计算到现在 E 中所有变量的值都没有发生变化，那么 E 的这次计算就称为公共子表达。对于这种表达式，就没有必要再对其进行计算了，使用之前计算过的值即可。下面举例说明其优化过程，对于下面的代码：
int d = (c * b) * 12 + a + (a + b * c)

文章插图
当这段代码进入即时编译器后，编译器检测到 c * b 和 b * c 是一样的表达式，并且在计算期间 b、c 的值不变，因此这段表达式可以被视为：
int d = E * 12 + a + (a + E)
这时，编译器还能进行另一种简化：代数化简，把表达式简化为：
int d = E * 12 + 2 * a
表达式经过优化后，计算效率就提高了。
数组边界检查消除
数组边界检查消除是即时编译器中语言相关的经典优化技术。如果有一个数组 foo[]，Java 语言在访问数组元素 foo[i] 时，系统会自动进行上下界的范围检查，即 i 的取值范围是 0 ~ foo.-1，否则将抛出运行时异常 java.lang. 。这对开发者来说是好事情，即时程序员没有专门编写防御代码，也可以避免大部分的溢出攻击。但是，对于虚拟机的执行子系统来说，每次数组元素的读写操作都带有一次隐含的条件判定操作，对于拥有大量数组访问的系统，无疑是一种性能上的负担。
编译器会对代码进行分析，如果确定某次数组访问一定不会越界，就可以去掉数组的上下界检查。比如在循环访问数组时，编译器只要通过数据流分析确定循环变量的取值范围一定在 [0, foo.) 之间，就可以在整个循环中把数组上下界检查消除。
与数组边界检查消除类似的优化，还有隐式异常处理，Java 中空指针检查和除数为零检查都采用了这种思路。举个例子，Java 中访问一个对象 foo 的 value 属性的代码如下：
if (foo != null) {return foo.value;} else {throw new NullPointerException();}
在使用隐式异常优化后，伪代码如下：
try {return foo.value;} catch (segment_fault) {uncommon_trap();}
虚拟机会注册一个falut 信号的异常处理器（伪代码中的 ()），这样当 foo 不为空时，对 value 的访问不会额外消耗一次空值检查的开销。代价是，当 foo 为空时，必须转入到异常处理器中恢复并抛出异常，这个过程必须从用户态转到内核态处理，结束后再回到用户态，速度远比一次判空检查慢。当 foo 极少为空的时候，隐式异常优化是值得的，虚拟机会根据运行期收集到的信息自动选择最优方案。
方法内联
方法内联是编译器最重要的优化手段之一，除了消除方法调用成本之外，它更重要的意义是为其他优化手段建立良好的基础。比如下面的代码，事实上里都是无用代码，如果不做内联，是无法发现任何 dead code 的，因为分开来看，foo 和两个方法里的操作都可能是有意义的。

public static void foo(Object obj) {if (obj != null) {System.out.println("hello");}}public static void testInline() {Object obj = null;foo(obj);}

方法内联看起来简单，但实际中很多方法都无法直接进行内联。原因是除了使用指令调用的私有方法、实例构造器、父类方法以及使用指令调用的静态方法，还有部分 final 方法能够在编译时唯一确定执行的方法版本，其他都可能存在多于一个版本的方法接收者，需要在运行时才能确定，这一类方法称为非虚方法。

运行期 【笔记】深入理解 Java 虚拟机：晚期优化( 四 )

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