JVM之逃逸分析

最新推荐文章于 2025-05-21 09:02:06 发布

淋和枫

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分类专栏： jvm 文章标签： jvm

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1.思考：堆是分配内存对象的唯一选择吗?

随着JIT编译期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。
在Java虚拟机中，对象是在Java堆中分配内存的，这是一个普遍的常识。但是，有一种特殊情况，那就是如果经过逃逸分析(Escape Analysis)后发现，一个对象并没有逃逸出方法的话，那么就可能被优化成栈上分配。这样就无需在堆上分配内存，也无需进行垃圾回收。这也是最常见的堆外存储技术
此外，前面提到的基于openJDR深度定制的TaoBaoVM，其中创新的GCIH (GC invisible heap)技术实现off-heap，将生命周期较长的Java对象从heap中移至heap外，并且GC不能管理GCIH内部的Java对象，以此达到降低GC的回收频率和提升GC的回收效率的目的。

2.逃逸分析概述：

如何将堆上的对象分配到栈，需要使用逃逸分析手段。
这是一种可以有效减少Java程序中同步负载和内存堆分配压力的跨函数全局数据流分析算法。
通过逃逸分析，Java Hotspot编译器能够分析出一个新的对象的引用的使用范围从而决定是否要将这个对象分配到堆上。
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，对象只在方法内部使用，则认为没有发生逃逸。
- 当一个对象在方法中被定义后，它被外部方法所引用，则认为发生逃逸。例如作为调用参数传递到其他地方中。
- ```
//例如没有发生逃逸，就是v没有被外界使用
public void method(){
    V v  = new V();
   	//using...
    v = null;
}
//没有发生逃逸的对象，则可以分配到栈上，随着方法执行的结束，栈空间就被移除。
```

发生逃逸举例

//这里面的sb对象可能会被外界使用，发生逃逸
public static StringBuffer creatStringBuffer(String s1, String s2){
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb;
}

上述代码如果想要stringBuffer sb不逃逸方法，可以这样写:

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

3.逃逸分析:代码优化

使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化:

3.1 栈上分配

栈上分配。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。

JIT编译器在编译期间根据逃逸分析的结果，发现如果一个对象并没有逃逸出方法的话，就可能被优化成栈上分配。分配完成后，继续在调用栈内执行，最后线程结束，栈空间被回收，局部变量对象也被回收。这样就无须进行垃圾回收了。
常见的栈上分配场景
- 在逃逸分析中，已经说明了。分别是给成员变量赋值、方法返回值、实例引用传递。

测试栈上分配:

public class Test {
    //加入以下参数，-XX:-DoEscapeAnalysis 不开启逃逸分析
    //-Xmx256m -Xms256m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费时间:" + (end - start) + "ms");
    }

    private static void alloc() {
        User user = new User();
    }

    static class User{

    }
}

打印如下，花费时间63ms，并且堆空间发生GC

//此时我们开启逃逸分析，就是将-DoEscapeAnalysis参数的-改为+
public class Test {
    //加入以下参数，-XX:+DoEscapeAnalysis 开启逃逸分析
    //-Xmx256m -Xms256m -XX:+DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费时间:" + (end - start) + "ms");
    }

    private static void alloc() {
        User user = new User();
    }

    static class User{

    }
}

打印如下，花费8ms，没有发生GC

3.2 同步省略

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。
- 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。
- 在动态编译同步块的时候，JIT编译器可以借助逃逸分析来判断同步块所使用的锁对象是否只能够被一个线程访问而没有被发布到其他线程。如果没有，那么JIT编译器在编译这个同步块的时候就会取消对这部分代码的同步。这样就能大大提高并发性和性能。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。
- 如以下代码:
  - ```
  public void f(){
      Object hollis = new Object();
      synchronized (hollis){
          System.out.println(hollis);
      }
  }
```
- 代码中对hollis这个对象进行加锁，但是hollis对象的生命周期只在f()方法中，并不会被其他线程所访问到，所以在JIT编译阶段就会被优化掉。优化成：
- ```
public void f(){
    Object hollis = new Object();
    System.out.println(hollis);
}
```

3.3 标量替换

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。
- 标量(Scalar)是指一个无法再分解成更小的数据的数据。Java中的原始数据类型就是标量。
- 相对的，那些还可以分解的数据叫做聚合量(Aggregate) ,Java中的对象就是聚合量，因为他可以分解成其他聚合量和标量。
- 在JIT阶段，如果经过逃逸分析，发现一个对象不会被外界访问的话，那么经过JIT优化，就会把这个对象拆解成若干个其中包含的若干个成员变量来代替。这个过程就是标量替换。
- 如下代码:
  - ```
  public void s() {
      User user = new User(1, 2);
      System.out.println(user.x + ":" + user.y);
  }
  class User {
      private int x;
      private int y;
      //省略构造器
  }
```
- 未发生逃逸，标量替换后:
  - ```
  public void s() {
      int x = 1;
      int y = 2;
      System.out.println(x + ":" + y);
  }
  class User {
      private int x;
      private int y;
      //省略构造器
  }
```