OpenJDK JMH 1.37 JIT编译优化逃逸Blackhole仍被内联？-XX:CompileCommand=inline,Blackhole::consume - 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

OpenJDK JMH 1.37: JIT 编译优化、逃逸分析、Blackhole 内联与 `-XX:CompileCommand` 的深度解析

大家好，今天我们来深入探讨一个在使用 JMH (Java Microbenchmark Harness) 进行性能测试时经常遇到的问题：即便我们使用了 Blackhole 来防止 JIT 编译器过度优化，并且尝试使用 -XX:CompileCommand=inline,Blackhole::consume 禁止 Blackhole::consume 方法内联，但有时仍然会观察到 Blackhole 被内联，导致基准测试结果失真。

理解 JMH 与编译优化

首先，我们需要明确 JMH 的作用以及 JVM 编译优化的基本原理。

JMH 是一种专门用于编写可靠的 Java 微基准测试的工具。它的设计目标是尽可能地减少由于 JVM 预热、死代码消除、常量折叠、循环展开、内联等 JIT 编译器优化所带来的偏差。

JVM 的 JIT (Just-In-Time) 编译器负责将 Java 字节码在运行时编译成机器码，从而显著提升程序性能。为了达到最佳性能，JIT 编译器会进行一系列优化，其中包括：

死代码消除 (Dead Code Elimination): 移除对程序结果没有影响的代码。
常量折叠 (Constant Folding): 在编译时计算常量表达式的值。
循环展开 (Loop Unrolling): 将循环体展开多次以减少循环控制的开销。
内联 (Inlining): 将方法调用替换为方法体，从而避免方法调用的开销。
逃逸分析 (Escape Analysis): 分析对象的生命周期，判断对象是否逃逸出方法或线程。如果没有逃逸，就可以进行栈上分配、锁消除和标量替换等优化。

这些优化对于提高程序的整体性能至关重要，但在微基准测试中，它们可能会扭曲测试结果。比如，如果 JIT 编译器检测到一段代码对程序结果没有影响，它可能会直接删除这段代码，导致基准测试的执行时间为零。

`Blackhole` 的作用与局限性

为了防止 JIT 编译器过度优化，JMH 提供了 Blackhole 类。 Blackhole 的作用是 "消费" (consume) 一些值，从而阻止 JIT 编译器认为这些值是无用的，进而防止相关的计算被优化掉。

Blackhole 类提供了一系列 consume 方法，用于消费不同类型的值。例如，Blackhole.consume(int) 用于消费一个整数值。

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class BlackholeExample {

    private Random random;

    @Setup(Level.Trial)
    public void setup() {
        random = new Random();
    }

    @Benchmark
    public void withoutBlackhole() {
        int x = random.nextInt();
        int y = random.nextInt();
        int sum = x + y; // 可能被优化掉
    }

    @Benchmark
    public void withBlackhole(Blackhole bh) {
        int x = random.nextInt();
        int y = random.nextInt();
        int sum = x + y;
        bh.consume(sum); // 阻止 sum 被优化掉
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(BlackholeExample.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .warmupIterations(5)
                .measurementIterations(5)
                .build();

        new Runner(opt).run();
    }
}

在上面的代码中，withBlackhole 方法使用了 Blackhole.consume(sum) 来阻止 sum 变量被优化掉。然而，即使使用了 Blackhole，仍然存在 JIT 编译器内联 Blackhole::consume 方法，导致优化仍然发生的情况。

`-XX:CompileCommand`：控制编译行为

-XX:CompileCommand 是一个 JVM 选项，允许我们向 JIT 编译器发送命令，从而控制其编译行为。我们可以使用 -XX:CompileCommand 来禁止或强制内联特定的方法。

例如，-XX:CompileCommand=inline,Blackhole::consume 命令会强制 JIT 编译器内联 Blackhole::consume 方法。而 -XX:CompileCommand=dontinline,Blackhole::consume 命令会禁止 JIT 编译器内联 Blackhole::consume 方法。

注意： -XX:CompileCommand 选项的语法是区分大小写的，并且需要指定完整的类名和方法签名。

逃逸分析的影响

逃逸分析是 JIT 编译器的一项重要优化技术。它可以分析对象的生命周期，判断对象是否逃逸出方法或线程。如果对象没有逃逸，JIT 编译器就可以进行栈上分配、锁消除和标量替换等优化。

栈上分配 (Stack Allocation): 将对象分配在栈上，而不是堆上。栈上分配的对象在方法执行完毕后会自动释放，无需垃圾回收，从而提高性能。
锁消除 (Lock Elision): 如果 JIT 编译器检测到某个锁只被单个线程持有，它就可以消除这个锁，从而避免锁竞争的开销。
标量替换 (Scalar Replacement): 将对象分解为基本类型，并将这些基本类型分配在栈上。这样可以避免对象分配的开销，并且可以更好地利用 CPU 缓存。

当逃逸分析与 Blackhole 结合使用时，可能会出现一些意想不到的情况。例如，如果 JIT 编译器检测到 Blackhole 对象没有逃逸出方法，它可能会将 Blackhole 对象进行标量替换，从而导致 Blackhole::consume 方法被内联。

案例分析：`Blackhole` 内联的原因

让我们通过一个具体的案例来分析 Blackhole 内联的原因。

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

@State(Scope.Thread)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class BlackholeInlineExample {

    private Random random;

    @Setup(Level.Trial)
    public void setup() {
        random = new Random();
    }

    @Benchmark
    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE) // 阻止 benchmark 方法内联
    public void testBlackholeInline(Blackhole bh) {
        int x = random.nextInt();
        int y = random.nextInt();
        int sum = x + y;
        bh.consume(sum);
    }

    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(BlackholeInlineExample.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .warmupIterations(5)
                .measurementIterations(5)
                .jvmArgsAppend("-XX:+PrintCompilation", "-XX:CompileCommand=dontinline,Blackhole::consume")
                .build();

        new Runner(opt).run();
    }
}

在这个例子中，我们使用了 -XX:CompileCommand=dontinline,Blackhole::consume 命令来禁止 Blackhole::consume 方法内联。我们还使用了 @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE) 注解来阻止 testBlackholeInline 方法被内联。运行这个基准测试，并观察 -XX:+PrintCompilation 的输出，我们会发现，即使我们禁止了 Blackhole::consume 方法内联，它仍然有可能被内联。

可能的原因：

JIT 编译器的启发式算法: JIT 编译器会根据一系列启发式算法来决定是否内联一个方法。即使我们使用了 -XX:CompileCommand 来禁止内联，JIT 编译器仍然可能认为内联 Blackhole::consume 是有利的，并且会忽略我们的指令。
逃逸分析和标量替换: JIT 编译器可能会检测到 Blackhole 对象没有逃逸出 testBlackholeInline 方法，从而将 Blackhole 对象进行标量替换。标量替换后，Blackhole 对象会被分解为基本类型，Blackhole::consume 方法也会被内联。
JMH 的优化: JMH 自身也会进行一些优化，可能会影响 JIT 编译器的行为。
JVM 版本差异: 不同版本的 JVM 在 JIT 编译器的实现上可能存在差异，导致不同的内联行为。

如何解决 `Blackhole` 内联问题

解决 Blackhole 内联问题需要综合考虑多种因素，并采取一些策略来尽可能地阻止内联。

确保 Blackhole 对象逃逸: 为了阻止 JIT 编译器对 Blackhole 对象进行标量替换，我们需要确保 Blackhole 对象逃逸出方法。一种方法是将 Blackhole 对象传递给另一个方法，并在该方法中使用 Blackhole 对象。
```
@State(Scope.Thread)
public static class MyState {
    public Blackhole bh;

    @Setup(Level.Invocation)
    public void setup(Blackhole bh) {
        this.bh = bh;
    }
}

@Benchmark
public void testBlackholeNoInline(MyState state) {
    int x = random.nextInt();
    int y = random.nextInt();
    int sum = x + y;
    consumeInAnotherMethod(state.bh, sum);
}

@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
private void consumeInAnotherMethod(Blackhole bh, int value) {
    bh.consume(value);
}
```
在这个例子中，我们将 Blackhole 对象存储在 MyState 对象中，并将 MyState 对象作为参数传递给 testBlackholeNoInline 方法。然后，我们将 Blackhole 对象传递给 consumeInAnotherMethod 方法，并在该方法中使用 Blackhole 对象。 consumeInAnotherMethod方法使用了 @CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)，阻止该方法内联。这样可以增加 Blackhole 对象逃逸的可能性，从而阻止标量替换和 Blackhole::consume 方法的内联。
使用更强的内联控制: 除了 -XX:CompileCommand 之外，还可以尝试使用其他 JVM 选项来控制内联行为。例如，可以使用 -XX:MaxInlineSize 和 -XX:FreqInlineSize 来控制内联的方法的大小。还可以使用 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions 和 -XX:+PrintInlining 选项来打印内联信息，从而更好地了解 JIT 编译器的行为。
使用更复杂的 Blackhole 实现: 可以创建自定义的 Blackhole 实现，使其更难以被 JIT 编译器优化。例如，可以在 consume 方法中执行一些复杂的计算，或者使用 volatile 字段来阻止优化。
调整 JMH 参数: 可以调整 JMH 的参数，例如预热迭代次数和测量迭代次数，从而影响 JIT 编译器的行为。增加预热迭代次数可以使 JIT 编译器有更多的时间进行优化，而增加测量迭代次数可以使基准测试结果更加稳定。

多重 Blackhole 消费: 可以将需要保护的值多次传递给 Blackhole.consume()，增加 JIT 编译器优化的难度。

@Benchmark
public void testMultipleBlackhole(Blackhole bh) {
    int x = random.nextInt();
    int y = random.nextInt();
    int sum = x + y;
    bh.consume(sum);
    bh.consume(sum);
    bh.consume(sum);
}

使用 -XX:+NeverInline: 这是一个较为严格的禁止内联的选项。但是需要注意的是，过度使用该选项可能会显著降低程序整体性能。

@Benchmark
public void testNeverInline(Blackhole bh) {
    int x = random.nextInt();
    int y = random.nextInt();
    int sum = x + y;
    neverInlineConsume(bh, sum);
}

@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
@jdk.internal.vm.annotation.NeverInline
private void neverInlineConsume(Blackhole bh, int value) {
    bh.consume(value);
}

注意: @jdk.internal.vm.annotation.NeverInline 是一个内部 API，在未来的 JDK 版本中可能会被移除或修改。

实践建议

始终验证基准测试结果: 无论采取何种策略，都应该始终验证基准测试结果，确保结果是可靠的。可以使用不同的 JVM 版本、不同的 JIT 编译器选项和不同的 JMH 参数来运行基准测试，并比较结果。
理解 JIT 编译器的行为: 要更好地解决 Blackhole 内联问题，需要深入理解 JIT 编译器的行为。可以通过阅读 JVM 规范、查看 JIT 编译器的源代码和使用 JIT 编译器分析工具来了解 JIT 编译器的优化策略。
谨慎使用 -XX:CompileCommand: -XX:CompileCommand 是一个强大的工具，但应该谨慎使用。错误的使用 -XX:CompileCommand 可能会导致程序性能下降或崩溃。在修改 -XX:CompileCommand 之前，应该充分了解其含义和影响。

调试技巧

-XX:+PrintCompilation: 这个选项会打印 JIT 编译器的编译信息，可以帮助我们了解哪些方法被编译了，以及编译的时间。
-XX:+PrintInlining: 这个选项会打印内联信息，可以帮助我们了解哪些方法被内联了，以及内联的原因。
-XX:+PrintEscapeAnalysis: 这个选项会打印逃逸分析信息，可以帮助我们了解哪些对象逃逸了，哪些对象没有逃逸。
JITWatch: 这是一个图形化的 JIT 编译器分析工具，可以帮助我们更直观地了解 JIT 编译器的行为。

选项	描述
`-XX:+PrintCompilation`	打印 JIT 编译器的编译信息。
`-XX:+PrintInlining`	打印内联信息。
`-XX:+PrintEscapeAnalysis`	打印逃逸分析信息。
`-XX:CompileCommand`	向 JIT 编译器发送命令，可以控制内联、编译等行为。
`-XX:MaxInlineSize`	设置内联方法的最大大小。
`-XX:FreqInlineSize`	设置频繁调用的方法内联的最大大小。
JITWatch	图形化的 JIT 编译器分析工具。

总结一下

Blackhole 内联是 JMH 基准测试中一个常见且复杂的问题，涉及 JIT 编译器的优化、逃逸分析以及 JMH 自身的一些机制。通过理解这些原理，并结合一些策略，我们可以尽可能地减少 Blackhole 内联的影响，从而获得更准确的基准测试结果。记住，没有一种万能的解决方案，需要根据具体的场景进行分析和调整。

OpenJDK JMH 1.37: JIT 编译优化、逃逸分析、Blackhole 内联与 -XX:CompileCommand 的深度解析

理解 JMH 与 编译优化

Blackhole 的作用与局限性

-XX:CompileCommand：控制编译行为