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什么是逃逸分析

在編譯程序優(yōu)化理論中，逃逸分析是一種確定指針動(dòng)態(tài)范圍的方法——分析在程序的哪些地方可以訪問(wèn)到指針。它涉及到指針分析和形狀分析。

當(dāng)一個(gè)變量(或?qū)ο?在子程序中被分配時(shí)，一個(gè)指向變量的指針可能逃逸到其它執(zhí)行線程中，或是返回到調(diào)用者子程序。如果使用尾遞歸優(yōu)化(通常在函數(shù)編程語(yǔ)言中是需要的)，對(duì)象也可以看作逃逸到被調(diào)用的子程序中。如果一種語(yǔ)言支持第一類型的延續(xù)性在Scheme和Standard ML of New Jersey中同樣如此)，部分調(diào)用棧也可能發(fā)生逃逸。

如果一個(gè)子程序分配一個(gè)對(duì)象并返回一個(gè)該對(duì)象的指針，該對(duì)象可能在程序中被訪問(wèn)到的地方無(wú)法確定——這樣指針就成功“逃逸”了。如果指針存儲(chǔ)在全局變量或者其它數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，因?yàn)槿肿兞渴强梢栽诋?dāng)前子程序之外訪問(wèn)的，此時(shí)指針也發(fā)生了逃逸。

逃逸分析確定某個(gè)指針可以存儲(chǔ)的所有地方，以及確定能否保證指針的生命周期只在當(dāng)前進(jìn)程或在其它線程中。

下面我們看看Java中的逃逸分析是怎樣的?

Java的逃逸分析只發(fā)在JIT的即時(shí)編譯中，為什么不在前期的靜態(tài)編譯中就進(jìn)行呢，知乎上已經(jīng)有過(guò)這樣的提問(wèn)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是可以的，但是Java的分離編譯和動(dòng)態(tài)加載使得前期的靜態(tài)編譯的逃逸分析比較困難或收益較少，所以目前Java的逃逸分析只發(fā)在JIT的即時(shí)編譯中，因?yàn)槭占阶銐虻倪\(yùn)行數(shù)據(jù)JVM可以更好的判斷對(duì)象是否發(fā)生了逃逸。關(guān)于JIT即時(shí)編譯可參考JVM系列之走進(jìn)JIT。

JVM判斷新創(chuàng)建的對(duì)象是否逃逸的依據(jù)有：

一、對(duì)象被賦值給堆中對(duì)象的字段和類的靜態(tài)變量。

二、對(duì)象被傳進(jìn)了不確定的代碼中去運(yùn)行。

如果滿足了以上情況的任意一種，那這個(gè)對(duì)象JVM就會(huì)判定為逃逸。對(duì)于第一種情況，因?yàn)閷?duì)象被放進(jìn)堆中，則其它線程就可以對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)，所以對(duì)象的使用情況，編譯器就無(wú)法再進(jìn)行追蹤。第二種情況相當(dāng)于JVM在解析普通的字節(jié)碼的時(shí)候，如果沒有發(fā)生JIT即時(shí)編譯，編譯器是不能事先完整知道這段代碼會(huì)對(duì)對(duì)象做什么操作。保守一點(diǎn)，這個(gè)時(shí)候也只能把對(duì)象是當(dāng)作是逃逸來(lái)處理。下面舉幾個(gè)例子

public class EscapeTest { 
 
    public static Object globalVariableObject; 
 
    public Object instanceObject; 
 
    public void globalVariableEscape(){ 
        globalVariableObject = new Object(); //靜態(tài)變量,外部線程可見,發(fā)生逃逸 
    } 
 
    public void instanceObjectEscape(){ 
        instanceObject = new Object(); //賦值給堆中實(shí)例字段,外部線程可見,發(fā)生逃逸 
    } 
     
    public Object returnObjectEscape(){ 
        return new Object();  //返回實(shí)例,外部線程可見，發(fā)生逃逸 
    } 
 
    public void noEscape(){ 
        synchronized (new Object()){ 
            //僅創(chuàng)建線程可見,對(duì)象無(wú)逃逸 
        } 
        Object noEscape = new Object();  //僅創(chuàng)建線程可見,對(duì)象無(wú)逃逸 
    } 
 
} 

基于逃逸分析的優(yōu)化

當(dāng)判斷出對(duì)象不發(fā)生逃逸時(shí)，編譯器可以使用逃逸分析的結(jié)果作一些代碼優(yōu)化

將堆分配轉(zhuǎn)化為棧分配。如果某個(gè)對(duì)象在子程序中被分配，并且指向該對(duì)象的指針永遠(yuǎn)不會(huì)逃逸，該對(duì)象就可以在分配在棧上，而不是在堆上。在有垃圾收集的語(yǔ)言中，這種優(yōu)化可以降低垃圾收集器運(yùn)行的頻率。

同步消除。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)對(duì)象只能從一個(gè)線程可訪問(wèn)，那么在這個(gè)對(duì)象上的操作可以不需要同步。

分離對(duì)象或標(biāo)量替換。如果某個(gè)對(duì)象的訪問(wèn)方式不要求該對(duì)象是一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，那么對(duì)象的部分(或全部)可以不存儲(chǔ)在內(nèi)存，而是存儲(chǔ)在CPU寄存器中。

對(duì)于優(yōu)化一將堆分配轉(zhuǎn)化為棧分配，這個(gè)優(yōu)化也很好理解。下面以代碼例子說(shuō)明：

虛擬機(jī)配置參數(shù)：-XX:+PrintGC -Xms5M -Xmn5M -XX:+DoEscapeAnalysis

• -XX:+DoEscapeAnalysis表示開啟逃逸分析，JDK8是默認(rèn)開啟的
• -XX:+PrintGC 表示打印GC信息
• -Xms5M -Xmn5M 設(shè)置JVM內(nèi)存大小是5M

public static void main(String[] args){ 
        for(int i = 0; i < 5_000_000; i++){ 
            createObject(); 
        } 
    } 
 
    public static void createObject(){ 
        new Object(); 
    } 

運(yùn)行結(jié)果是沒有GC。

把虛擬機(jī)參數(shù)改成 -XX:+PrintGC -Xms5M -Xmn5M -XX:-DoEscapeAnalysis。關(guān)閉逃逸分析得到結(jié)果的部分截圖是，說(shuō)明了進(jìn)行了GC，并且次數(shù)還不少。

[GC (Allocation Failure)  4096K->504K(5632K), 0.0012864 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4600K->456K(5632K), 0.0008329 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4552K->424K(5632K), 0.0006392 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4520K->440K(5632K), 0.0007061 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4536K->456K(5632K), 0.0009787 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4552K->440K(5632K), 0.0007206 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4536K->520K(5632K), 0.0009295 secs] 
[GC (Allocation Failure)  4616K->512K(4608K), 0.0005874 secs] 

這說(shuō)明了JVM在逃逸分析之后，將對(duì)象分配在了方法createObject()方法棧上。方法棧上的對(duì)象在方法執(zhí)行完之后，棧楨彈出，對(duì)象就會(huì)自動(dòng)回收。這樣的話就不需要等內(nèi)存滿時(shí)再觸發(fā)內(nèi)存回收。這樣的好處是程序內(nèi)存回收效率高，并且GC頻率也會(huì)減少，程序的性能就提高了。

優(yōu)化二 同步鎖消除

如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)對(duì)象只能從一個(gè)線程可訪問(wèn)，那么在這個(gè)對(duì)象上的操作可以不需要同步。

虛擬機(jī)配置參數(shù)：-XX:+PrintGC -Xms500M -Xmn500M -XX:+DoEscapeAnalysis。配置500M是保證不觸發(fā)GC。

public static void main(String[] args){ 
        long start = System.currentTimeMillis(); 
        for(int i = 0; i < 5_000_000; i++){ 
            createObject(); 
        } 
        System.out.println("cost = " + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms"); 
    } 
 
    public static void createObject(){ 
        synchronized (new Object()){ 
 
        } 
    } 

運(yùn)行結(jié)果

cost = 6ms 

把逃逸分析關(guān)掉：-XX:+PrintGC -Xms500M -Xmn500M -XX:-DoEscapeAnalysis

運(yùn)行結(jié)果

cost = 270ms 

說(shuō)明了逃逸分析把鎖消除了，并在性能上得到了很大的提升。這里說(shuō)明一下Java的逃逸分析是方法級(jí)別的，因?yàn)镴IT的即時(shí)編譯是方法級(jí)別。

優(yōu)點(diǎn)三 分離對(duì)象或標(biāo)量替換。

這個(gè)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是把對(duì)象分解成一個(gè)個(gè)基本類型，并且內(nèi)存分配不再是分配在堆上，而是分配在棧上。這樣的好處有，一、減少內(nèi)存使用，因?yàn)椴挥蒙蓪?duì)象頭。 二、程序內(nèi)存回收效率高，并且GC頻率也會(huì)減少，總的來(lái)說(shuō)和上面優(yōu)點(diǎn)一的效果差不多。

OK,現(xiàn)在我們又知道了一件聰明的JVM在背后為我們做的事了。