Java内存对象的逃逸分析

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逃逸分析英文作Escape Analysis。在计算机语言编译器优化原理中,逃逸分析是指分析指针动态范围的方法,它同编译器优化原理的指针分析和外形分析相关联。
当变量(或者对象)在方法中分配后,其指针有可能被返回或者被全局引用,这样就会被其他过程或者线程所引用,这种现象称作指针(或者引用)的逃逸(Escape)。
在Java中比如下面的方法:

static V global_v;
public void a_method(){
   V v=b_method();
   c_method();
}
public V b_method(){
   V v=new V();
   return v;
}
public void c_method(){
   global_v=new V();
}
其中b_method方法内部生成的V对象的引用被返回给a_method方法内的变量v,c_method方法内生成的V对象被赋给了全局变量global_v。这两种场景都发生了指针(引用)逃逸。
逃逸分析研究对于Java编译器有什么好处?我们知道Java对象总是在堆中分配的,因此Java对象的创建和回收对系统的开销是很大的。Java语言被批评的一个地方,也是认为Java性能慢的一个原因就是Java不支持运行时栈分配对象,缺少像C#里面的值对象或者C++里面的struct结构。
那么JIT怎么通过逃逸分析进行代码优化呢?分析下面的过程代码:
public void my_method(){
    V v=new V();
    //use v
    ......
    v=null;
}
在这个方法中创建的局部对象被赋给了v,但是没有返回,没有赋给全局变量等等操作,因此这个对象是没有逃逸的,是可以在运行时栈进行分配和销毁的对象。没有发生逃逸的对象由于生命周期都在一个方法体内,因此它们是可以在运行时栈上分配并销毁。
这样在JIT编译Java伪代码时,如果能分析出这种代码,那么非逃逸对象其创建和回收就可以在栈上进行,从而能大大提高Java的运行性能。
另外为什么要在逃逸分析之前进行内联分析呢?这是因为往往有些对象在被调用过程中创建并返回给调用过程,调用过程使用完该对象就销毁了。这种情况下如果将这些方法进行内联,它们就由两个方法体变成一个方法体了,这种原来通过返回传递的对象就变成了方法内的局部对象,就变成了非逃逸对象了,这样这些对象就可以在同一栈上进行分配了。

除能将堆分配对象变成栈分配对象,逃逸分析还有其他两个优化应用。一是同步消除。我们知道线程同步的代价是相当高的,同步的后果是降低并发性和性能。逃逸分析可以判断出某个对象是否始终只被一个线程访问,如果只被一个线程访问,那么对该对象的同步操作就可以转化成没有同步保护的操作,这样就能大大提高并发程度和性能。
二是矢量替代。逃逸分析方法如果发现对象的内存存储结构不需要连续进行的话,就可以将对象的部分甚至全部都保存在CPU寄存器内,这样能大大提高访问速度。

总结:
整理自 周志明《深入JVM》

1, 是JVM优化技术,它不是直接优化手段,而是为其它优化手段提供依据。

2,逃逸分析主要就是分析对象的动态作用域。

3,逃逸有两种:方法逃逸和线程逃逸。

    方法逃逸(对象逃出当前方法):
            当一个对象在方法里面被定义后,它可能被外部方法所引用,例如作为调用参数传递到其它方法中。

    线程逃逸((对象逃出当前线程):
            这个对象甚至可能被其它线程访问到,例如赋值给类变量或可以在其它线程中访问的实例变量

4,如果不存在逃逸,则可以对这个变量进行优化

4.1. 栈上分配。
在一般应用中,不会逃逸的局部对象占比很大,如果使用栈上分配,那大量对象会随着方法结束而自动销毁,垃圾回收系统压力就小很多。

4.2. 同步消除
线程同步本身比较耗时,如果确定一个变量不会逃逸出线程,无法被其它线程访问到,那这个变量的读写就不会存在竞争,对这个变量的同步措施
可以清除。

4.3. 标量替换。

  • 标量就是不可分割的量,java中基本数据类型,reference类型都是标量。相对的一个数据可以继续分解,它就是聚合量(aggregate)。

  • 如果把一个对象拆散,将其成员变量恢复到基本类型来访问就叫做标量替换。

  • 如果逃逸分析证明一个对象不会被外部访问,并且这个对象可以被拆散的话,那么程序真正执行的时候将可能不创建这个对象,而改为直接在>栈上创建若干个成员变量。

5,逃逸分析还不成熟。
5.1,不能保证逃逸分析的性能收益必定高于它的消耗。
判断一个对象是否逃逸耗时长,如果分析完发现没有几个不逃逸的对象,那时间就白白浪费了。
5.2,基于逃逸分析的优化手段不成熟,如上面提到的栈上分配,由于hotspot目前的实现方式导致栈上分配实现起来复杂。

6,相关JVM参数
-XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸分析
-XX:+PrintEscapeAnalysis 开启逃逸分析后,可通过此参数查看分析结果。
-XX:+EliminateAllocations 开启标量替换
-XX:+EliminateLocks 开启同步消除
-XX:+PrintEliminateAllocations 开启标量替换后,查看标量替换情况。

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