逃逸分析

所有的对象都在堆上吗？

在《深入理解Java虚拟机》中关于Java堆内存有这样一段描述：

  • 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，也无须进行垃圾回收了。这也是最常见的堆外存储技术
  • 此外，前面提到的基于 OpenJDK 深度定制的 TaoBao VM（淘宝虚拟机），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

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：
    1. 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
    2. 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

代码举例

  • 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
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public void my_method() {
    V v = new V();
    // use v
    // ....
    v = null;
}
  • 下面代码中的 StringBuffer sb 发生了逃逸
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public static StringBuffer createStringBuffer(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb;
}
  • 逃逸分析的举例
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/**
 * 逃逸分析
 *
 * 如何快速的判断是否发生了逃逸分析，大家就看 new 的对象实体是否有可能在方法外被调用
 */
public class EscapeAnalysis {

    public EscapeAnalysis obj;

    // 方法返回 EscapeAnalysis 对象，发生逃逸
    public EscapeAnalysis getInstance(){
        return obj == null ? new EscapeAnalysis() : obj;
    }

    // 为成员属性赋值，发生逃逸
    public void setObj(){
        this.obj = new EscapeAnalysis(); // 思考：如果当前的obj引用声明为static的？仍然会发生逃逸
    }

    // 对象的作用域仅在当前方法中有效，没有发生逃逸
    public void useEscapeAnalysis(){
        EscapeAnalysis e = new EscapeAnalysis();
    }

    // 引用成员变量的值，发生逃逸
    public void useEscapeAnalysis1(){
        EscapeAnalysis e = getInstance(); //这个 e 对象，本身就是从外面的方法逃逸进来的
        // getInstance().xxx() 同样会发生逃逸
    }
}

参数设置

在JDK 1.7 版本之后，HotSpot 中默认就已经开启了逃逸分析。如果使用的是较早的版本，开发人员则可以通过：

  1. 选项 -XX:+DoEscapeAnalysis 显式开启逃逸分析
  2. 通过选项 -XX:+PrintEscapeAnalysis 查看逃逸分析的筛选结果

开发中 能使用局部变量的，就不要使用在方法外定义。使用逃逸分析，编译器可以对代码做如下优化：

  1. 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发生逃逸，对象可能是栈上分配的候选，而不是堆上分配
  2. 同步省略：如果一个对象被发现只有一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步
  3. 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

栈上分配

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。常见的栈上分配的场景：成员变量赋值、方法返回值、实例引用传递

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/**
 * 栈上分配测试
 * -Xmx256m -Xms256m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGCDetails
 */
public class StackAllocation {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();

        for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
            alloc();
        }
        // 查看执行时间
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费的时间为： " + (end - start) + " ms");
        // 为了方便查看堆内存中对象个数，线程 sleep
        try {
            Thread.sleep(1000000);
        } catch (InterruptedException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }
    }

    private static void alloc() {
        User user = new User(); // 未发生逃逸
    }

    static class User {

    }
}

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。例如：

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public void f() {
    Object hellis = new Object();
    synchronized(hellis) {
        System.out.println(hellis);
    }
}

代码中对 hellis 这个对象加锁，但是 hellis 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：

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public void f() {
  	Object hellis = new Object();
		System.out.println(hellis);
}

注意：字节码文件中并没有进行优化，可以看到加锁和释放锁的操作依然存在，同步省略操作是在解释运行时发生的

标量替换

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。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）可以不完全存储在内存，而是存储在CPU寄存器中。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。例如：

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public static void main(String args[]) {
    alloc();
}
class Point {
    private int x;
    private int y;
}
private static void alloc() {
    Point point = new Point(1,2);
    System.out.println("point.x" + point.x + ";point.y" + point.y);
}

以上代码，经过标量替换后，就会变成：

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private static void alloc() {
    int x = 1;
    int y = 2;
    System.out.println("point.x = " + x + "; point.y=" + y);
}

可以看到，Point 这个聚合量经过逃逸分析后，发现他并没有逃逸，就被替换成两个聚合量了。那么标量替换有什么好处呢？就是可以大大减少堆内存的占用。因为一旦不需要创建对象了，那么就不再需要分配堆内存了。标量替换为栈上分配提供了很好的基础。参数 -XX:+ElimilnateAllocations 开启了标量替换（默认打开），允许将对象打散分配在栈上

总结

关于逃逸分析的论文在 1999 年就已经发表了，但直到 JDK1.6 才有实现，而且这项技术到如今也并不是十分成熟的。其根本原因就是无法保证逃逸分析的性能消耗一定能高于他的消耗。虽然经过逃逸分析可以做标量替换、栈上分配、和锁消除。但是逃逸分析自身也是需要进行一系列复杂的分析的，这其实也是一个相对耗时的过程。一个极端的例子，就是经过逃逸分析之后，发现没有一个对象是不逃逸的。那这个逃逸分析的过程就白白浪费掉了。虽然这项技术并不十分成熟，但是它也是即时编译器优化技术中一个十分重要的手段。注意到有一些观点，认为通过逃逸分析，JVM 会在栈上分配那些不会逃逸的对象，这在理论上是可行的，但是取决于 JVM 设计者的选择

据我所知，Oracle Hotspot JVM 中并未这么做，这一点在逃逸分析相关的文档里已经说明，所以可以明确所有的对象实例都是创建在堆上。Oracle Hotspot JVM 是通过标量替换实现逃逸分析的。目前很多书籍还是基于 JDK7 以前的版本，JDK 已经发生了很大变化，intern 字符串的缓存和静态变量曾经都被分配在永久代上，而永久代已经被元数据区取代。但是 intern 字符串缓存和静态变量并不是被转移到元数据区，而是直接在堆上分配，所以这一点同样符合前面一点的结论：对象实例都是分配在堆上