【Java】JIT优化
本文最后更新于 232 天前,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

本来这篇文章还有一个小标题,完整的大概是这样:“JIT优化——如何让解释型语言的执行效率超过编译型语言”。但是这太夸张了,已经算是标题党了,所以我把这个小标题砍掉了。

这还是一篇为上课分享而写的文章,所以照例先写一些废话。之前老师上课讲到解释型和编译型语言谁的效率更高的时候,给出了一个非常绝对的结论,肯定是编译型的语言效率最高,因为解释型的语言需要边解释边执行,造成的性能开销肯定更大,效率更差。

照理来说是这样的,而且统计数据也证实了这一点。有开发者根据 The Benchmarks Game 的测试数据制作了一份可视化图表,具体可见:编程语言效率可视化

效率排行

事实上从绝对性能上来看,Go,Java一类的解释型语言效率并不差,但肯定是没办法跟C相提并论的。

Sun在上个世纪就已经意识到了这个问题,当然也给出了一些解决方案,其中之一便是JIT。先不讲原理,看效果。

//C版本

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int f(int n)
{
    return (n<3)? 1 : f(n-1)+f(n-2);//如果是前两项,则输出1
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int n;
    clock_t start, finish;
    double Total_time;
    n=45;
    start = clock();
    printf("%d\n",f(n));
    finish = clock();
    Total_time = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC; //单位换算成秒
    printf("%f seconds\n", Total_time);
    return 0;
}
//Java版本

public class Main {
    public static int f(int n){
        return (n<3)? 1 : f(n-1)+f(n-2);//如果是前两项,则输出1
    }

    public static void main(String[] args) {
        int n;
        long start, finish;
        double Total_time;
        n=45;
        start = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(f(n));
        finish = System.currentTimeMillis();
        Total_time = (double)(finish - start) / 1000; //单位换算成秒
        System.out.println(Total_time);
    }
}
# Python 版本
import time

def f(n):
    if n < 3:
        return 1
    else:
        return f(n - 1) + f(n - 2)

if __name__ == "__main__":
    n = 45
    start = time.time()
    print(f(45))
    end = time.time()
    print(end - start)

很简单,就是计算斐波那契数列的值,这里初始值取45,能看出性能的差距,耗费的时间也不会很长(Python除外)。

运行时间如下:

//C
1134903170
3.865728 seconds
Program ended with exit code: 0

//Java
1134903170
2.515

进程已结束,退出代码0

//Python
1134903170
207.55029606819153

进程已结束,退出代码0

可以看到一个奇怪的现象,那就是Java运行耗时会比C更短。在代码结构完全相同的情况下,JVM一定在运行时帮我们做了很多工作。在这段代码中,功劳最大的便是JIT(其实是Java的内存管理)。

JIT即时编译器介绍

为了优化Java的性能 ,JVM在解释器之外引入了即时(Just In Time)编译器:当程序运行时,解释器首先发挥作用,代码可以直接执行。随着时间推移,即时编译器逐渐发挥作用,把越来越多的代码编译优化成本地代码,来获取更高的执行效率。解释器这时可以作为编译运行的降级手段,在一些不可靠的编译优化出现问题时,再切换回解释执行,保证程序可以正常运行。
即时编译器极大地提高了Java程序的运行速度,而且跟静态编译相比,即时编译器可以选择性地编译热点代码,省去了很多编译时间,也节省很多的空间。目前,即时编译器已经非常成熟了,在性能层面甚至可以和编译型语言相比。不过在这个领域,大家依然在不断探索如何结合不同的编译方式,使用更加智能的手段来提升程序的运行速度。

上面这段话又是我抄过来的。简而言之就是,JVM会将一些经常执行的代码段编译为机器码来执行,这部分代码的执行效率便可以与编译型语言相媲美。很显然,上述斐波那契数列递归计算部分一定被编译为机器码。

Java编译执行过程

但这不足以解释为什么Java的执行效率会超过C。JVM一定还做了其他工作!

接下来我通过一个例子来说明JVM到底做了哪些工作,当然很不全面,例子也是我抄来的。

首先给出一段代码:

 class Calculator {
     Wrapper wrapper;
     public void calculate() {
         y = wrapper.get();
         z = wrapper.get();
         sum = y + z;
     }
 }

 class Wrapper {
     final int value;
     final int get() {
         return value;
     }
 }

假设这段代码是Hot Spot,JVM并不会直接把这段代码编译为机器码,而是会对其进行优化。最终是把下面这段代码编译为机器码。

 class Calculator {
     Wrapper wrapper;
     public void calculate() {
         y = wrapper.value;
         sum = y + y;
     }
 }

 class Wrapper {
     final int value;
     final int get() {
         return value;
     }
 }

这些代码的优化都是遵循一些固定的方法的,一步一步进行优化。

  • Inline Method(方法内联) 
    b.value 取代 wrapper.get(), 不透过函数呼叫而直接存取 wrapper.value 来减少延迟。
 class Calculator {
     Wrapper wrapper;
     public void calculate() {
         y = wrapper.value;
         z = wrapper.value;
         sum = y + z;
     }
 }
  • 移除多余的载入
    z = y取代z = wrapper.value, 所以只存取区域变量而不是wrapper.value 来减少延迟。
 class Calculator {
     Wrapper wrapper;
     public void calculate() {
         y = wrapper.value;
         z = y;
         sum = y + z;
     }
 }
  • Copy Propagation(复写传播)
    y = y取代z = y,没有必要再用一个变量z,因为zy会是相等的。
 class Calculator {
     Wrapper wrapper;
     public void calculate() {
         y = wrapper.value;
         y = y;
         sum = y + y;
     }
 }
  • 消除不用的源代码
    y = y是不必要的,可以消灭掉。
 class Calculator {
     Wrapper wrapper;
     public void calculate() {
         y = wrapper.value;
         sum = y + y;
     }
 }

最终优化完成。

一些小提示,提示我上课的时候要讲什么:

JMH基准测试

评论

  1. 博主
    Android Chrome
    8月前
    2022-10-12 0:13:11

    jit好智能啊,太厉害了😂

    • XinhaNewsAgency
      博主
      Shanwer
      Macintosh Safari
      8月前
      2022-10-14 10:18:54

      其实有的时候优化方式很激进,代码改的出问题了,还会自动回退😂

      • 博主
        XinhaNewsAgency
        Windows Edge
        8月前
        2022-10-18 19:29:29

        对了,Java计算代码与代码间的执行时间使用System.nanoTime()更加精确

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