Java `JIT Compilation` `Deoptimization` `Trace` 分析与代码降级原因 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷，晚上好！我是你们的老朋友，今天咱们来聊聊Java JIT编译里那些让人又爱又恨的小秘密，特别是关于“Deoptimization”这事儿。保证让各位听得懂、记得住，还能拿去吹牛皮！

开场白：JIT，你这磨人的小妖精！

话说Java虚拟机（JVM）这玩意儿，刚开始执行代码的时候，那叫一个慢吞吞，就像老牛拉破车，吭哧吭哧的。为啥？因为它是解释执行，一行一行地把字节码翻译成机器码。这效率，简直没法看。

这时候，JIT（Just-In-Time）编译器闪亮登场了！它就像个辛勤的小蜜蜂，在程序运行的时候，偷偷地把那些经常执行的代码（热点代码）编译成本地机器码，直接让CPU执行，速度嗖嗖地往上涨。

但是！人生不如意事十之八九，JIT也不是万能的。有时候，它好心办坏事，把代码优化了一通，结果发现优化错了，或者运行环境变了，之前的优化不适用了。这时候，就得把优化过的代码“降级”回去，重新解释执行。这个过程，就叫做“Deoptimization”，也就是我们今天要重点讨论的“去优化”或者“反优化”。

第一幕：JIT编译，你得了解它在干啥

要理解Deoptimization，首先得知道JIT编译都干了些啥。简单来说，JIT编译器会分析程序的运行情况，然后根据这些信息进行各种优化，提高代码的执行效率。常见的优化手段包括：

内联（Inlining）： 把一个方法的代码直接复制到调用它的地方，减少方法调用的开销。这就像你懒得出门吃饭，直接把冰箱里的东西拿出来吃一样。
```
class A {
    int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }
}

class B {
    void calculate() {
        A a = new A();
        int result = a.add(1, 2); // 可能会被内联
        System.out.println(result);
    }
}
```
如果add方法经常被调用，JIT可能会直接把a + b的代码放到calculate方法里，避免方法调用的开销。
逃逸分析（Escape Analysis）： 分析一个对象是否会逃逸出当前方法或者线程。如果一个对象不会逃逸，就可以在栈上分配，或者进行锁消除等优化。这就像你买了个菜，如果只是在家里做饭用，就不用担心它被别人偷走，可以随便放。
```
void foo() {
    Object obj = new Object(); // 如果obj没有逃逸，可以在栈上分配
    // ...
}
```

循环展开（Loop Unrolling）： 把循环体复制多次，减少循环的次数。这就像你一次性把一周的衣服都洗了，省得每天都洗。

for (int i = 0; i < 10; i++) {
    // ...
}

// 循环展开后
// ... (执行两次)
// ... (执行两次)
// ... (执行两次)
// ... (执行两次)
// ... (执行两次)

类型推断（Type Inference）： 推断变量的类型，避免运行时的类型检查。这就像你知道你面前的饮料是橙汁，可以直接喝，不用先尝一口才知道。
```
Object obj = "Hello"; // JIT可能会推断obj的类型是String
```

这些优化手段，都是为了让代码跑得更快。但是，它们都依赖于JIT编译器对程序运行情况的分析和预测。如果预测错了，或者运行环境发生了变化，这些优化就可能失效，甚至导致程序出错。

第二幕：Deoptimization，优化的反噬

Deoptimization，顾名思义，就是把已经优化过的代码“反优化”回去。它通常发生在以下几种情况：

类型假设失败（Type Speculation Failed）： JIT编译器假设某个变量的类型是固定的，然后根据这个假设进行优化。但是，在程序运行过程中，这个变量的类型发生了变化，导致之前的优化失效。
```
void foo(Object obj) {
    if (obj instanceof Integer) {
        int i = (Integer) obj;
        // ... (针对Integer的优化)
    } else {
        // ...
    }
}
```
JIT可能会假设obj总是Integer类型，然后对if语句内部的代码进行优化。但是，如果obj突然变成了String类型，之前的优化就失效了，需要进行Deoptimization。
Guard条件失效（Guard Condition Failed）： JIT编译器在进行优化的时候，会添加一些“Guard”条件，用于检查优化是否仍然有效。如果Guard条件失效，说明优化不再适用，需要进行Deoptimization。
```
int[] arr = new int[10];
int getElement(int index) {
    if (index >= 0 && index < arr.length) { // Guard条件
        return arr[index];
    } else {
        return -1;
    }
}
```
JIT可能会假设index总是合法的，然后省略掉if语句的检查。但是，如果index超出了数组的范围，Guard条件失效，需要进行Deoptimization。
代码被反编译（On-Stack Replacement, OSR）： 有时候，JIT编译器会在方法执行的过程中，对代码进行重新编译和优化。这时候，就需要把当前正在执行的代码“替换”成新的代码。这个过程叫做On-Stack Replacement（OSR）。OSR也可能导致Deoptimization。

第三幕：Deoptimization的代价

Deoptimization是一个非常昂贵的操作。它会导致以下后果：

性能下降： Deoptimization意味着之前的优化失效了，需要重新解释执行代码，速度会变慢。
停顿（Pause）： Deoptimization通常需要暂停程序的执行，进行一些清理工作，这会导致程序的响应时间变长。
内存消耗： Deoptimization会导致更多的对象在堆上分配，增加内存的消耗。

因此，我们应该尽量避免Deoptimization的发生。

第四幕：如何避免Deoptimization？

既然Deoptimization这么可怕，那我们应该如何避免它呢？以下是一些建议：

编写稳定的代码： 尽量避免在程序运行过程中改变变量的类型，或者改变程序的逻辑。这就像你盖房子，地基要打牢，不要一会儿想盖成别墅，一会儿又想盖成茅草屋。
使用final关键字： 对于那些不会改变的变量，可以使用final关键字来修饰。这可以告诉JIT编译器，这个变量的值是固定的，可以进行更激进的优化。
避免复杂的类型转换： 尽量避免在程序中使用复杂的类型转换，这会增加JIT编译器进行类型推断的难度。
合理使用多态： 多态是面向对象编程的重要特性，但是过度使用多态可能会导致JIT编译器无法进行内联等优化。
了解JVM的优化策略： 了解JVM的优化策略，可以帮助我们编写出更易于优化的代码。

第五幕：Trace分析，追踪Deoptimization的踪迹

既然要避免Deoptimization，那我们首先得知道哪里发生了Deoptimization。这时候，就需要用到Trace分析工具了。

JVM提供了一些命令行选项，可以帮助我们追踪Deoptimization的踪迹。常用的选项包括：

-XX:+PrintCompilation：打印JIT编译的信息，包括编译的方法名、编译时间等。
-XX:+PrintInlining：打印内联的信息，包括哪些方法被内联了，哪些方法没有被内联。
-XX:+PrintDeoptimization：打印Deoptimization的信息，包括Deoptimization发生的原因、发生的位置等。
-XX:+LogCompilation：把JIT编译的信息记录到日志文件中，方便后续分析。

通过分析这些信息，我们可以找到Deoptimization发生的位置和原因，然后针对性地进行优化。

例如，我们可以使用以下命令来运行程序，并打印Deoptimization的信息：

java -XX:+PrintCompilation -XX:+PrintDeoptimization YourClass

运行后，控制台会输出类似下面的信息：

     12 1       java.lang.String::hashCode (25 bytes)
     12 1       java.lang.String::equals (81 bytes)
     13 2       java.lang.String::length (6 bytes)
     14 3       java.lang.String::charAt (51 bytes)
   1.279: [Deoptimization::uncommon_trap reason=speculative_type_check  pc=0x00007f9b9a1808a0 sp=0x00007ffc6d13f8a0]

这条信息表示，在java.lang.String类的某个方法中，发生了Deoptimization，原因是speculative_type_check（推测类型检查失败）。

第六幕：代码降级原因分析

Deoptimization的根本原因，是JIT编译器对程序运行情况的预测出现了偏差。常见的代码降级原因包括：

原因	描述	示例
类型推测失败	JIT编译器假设某个变量的类型是固定的，但是运行过程中类型发生了变化。	假设JIT认为一个变量是Integer，优化了Integer的操作，但实际运行时变成了String。
Guard条件失效	JIT编译器在进行优化的时候，会添加一些“Guard”条件，用于检查优化是否仍然有效。如果Guard条件失效，说明优化不再适用。	假设数组下标访问在范围内，省略了边界检查，但实际访问越界。
锁膨胀（Lock Inflation）	JIT编译器可能会对锁进行优化，例如锁消除、锁粗化等。但是，如果锁的竞争变得激烈，之前的优化就失效了，需要进行锁膨胀，这也会导致Deoptimization。	假设只有一个线程访问同步代码块，进行了锁消除，但实际上多个线程并发访问。
运行时代码变更	使用Instrumentation API动态修改代码，或者使用了动态代理等技术，导致代码的结构发生了变化，之前的JIT编译结果失效。	使用ASM修改了类的字节码。
OSR失败	On-Stack Replacement（OSR）失败，可能是由于代码的复杂性超出了OSR的能力范围，或者发生了其他错误。	循环体过于复杂，无法进行OSR。
编译策略变更	JVM的编译策略可能会根据程序的运行情况动态调整。例如，从C1编译器切换到C2编译器，或者调整编译器的优化级别。这些调整可能会导致之前的JIT编译结果失效。	JVM动态调整了编译器的优化级别。

第七幕：案例分析：一个Deoptimization的例子

我们来看一个简单的例子，演示Deoptimization的发生：

public class DeoptimizationExample {

    public static void main(String[] args) {
        Object obj = 10;

        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            if (i > 5000) {
                obj = "Hello";
            }
            System.out.println(obj.hashCode());
        }
    }
}

在这个例子中，obj变量的类型在循环的前半部分是Integer，后半部分是String。JIT编译器可能会在循环的前半部分，对obj.hashCode()进行优化，假设obj是Integer类型。但是，当obj变成String类型时，之前的优化就失效了，需要进行Deoptimization。

我们可以使用-XX:+PrintCompilation -XX:+PrintDeoptimization选项来运行这个程序，观察Deoptimization的发生。

总结：JIT虽好，可不要贪杯哦！

总而言之，JIT编译是Java虚拟机提高性能的关键技术，但是Deoptimization是它的副作用。我们需要了解JIT编译的原理，掌握Deoptimization的发生原因，并采取相应的措施来避免它。这样，才能让我们的Java程序跑得更快、更稳。

希望今天的讲座对大家有所帮助！如果大家还有什么问题，欢迎提问。下次再见！

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