详解jvm中的标量替换

概述

通常在java中创建一个对象，大家都认为是在堆中创建。 在jdk6开始有逃逸分析，标量替换等技术，关于在堆中创建对象不再绝对。

关于标量替换，通过以下几点进行概述：

1. 逃逸分析
   
2. 标量替换是什么
   
3. 测试标量替换

逃逸分析

逃逸分析是一种分析技术，分析对象的动态作用域，供其他优化措施提供依据。比如分析一个对象不会逃逸到方法之外或线程之外，其它优化措施（栈上分配，标量替换等）根据逃逸程度进行优化。

逃逸分析示例

public class EscapeAnalysis {
  public Person p;
  /**
   * 发生逃逸，对象被返回到方法作用域以外，被方法外部，线程外部都可以访问
   */
  public void escape(){
    p = new Person(26, "TomCoding escape");
  }

  /**
   * 不会逃逸，对象在方法内部
   */
  public String noEscape(){
    Person person = new Person(26, "TomCoding noEscape");
    return person.name;
  }
}

static class Person {
  public int age;
  public String name;
  
  ... // 省略构造方法
}

标量替换是什么

标量可以理解成一种不可分解的变量，如java内部的基本数据类型、引用类型等。 与之对应的聚合量是可以被拆解的，如对象。
当通过逃逸分析一个对象只会作用于方法内部，虚拟机可以通过使用标量替换来进行优化。
比如上述noEscape()方法中person对象只会在方法内部，通过标量替换技术得到如下伪码：

/**
 * 不会逃逸，对象在方法内部
 */
public String noEscape(){
  int age = 26;
  String name = "TomCoding noEscape";
  return name;
}

测试标量替换

接下来我们通过对noEscape()方法进行测试，主要测试两种场景：

1. 不使用标量替换
2. 使用标量替换
   

以下测试是在jdk8中运行（注jdk8默认是开启逃逸分析，标量替换技术的）

测试代码如下：

void testEliminateAllocationsWithNoEscape() {
  int n = 100000000;
  long start = System.currentTimeMillis();
  EscapeAnalysis escapeAnalysis = new EscapeAnalysis();
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    // noEscape()不会发生逃逸
    escapeAnalysis.noEscape();
  }
  System.out.println("耗时：" + (System.currentTimeMillis() - start));
}

• 不使用标量替换
  

将jvm参数设置如下：

-Xms5m 最小堆内存5M
-Xmx5m 最大堆内存5M
-XX:+PrintGC  打印gc日志
-XX:-EliminateAllocations 关闭标量替换优化

运行后在我本机的耗时：3006毫秒，gc发生2000多次。

• 使用标量替换

将jvm参数设置如下：

-Xms5m 最小堆内存5M
-Xmx5m 最大堆内存5M
-XX:+PrintGC  打印gc日志
-XX:+EliminateAllocations 关闭标量替换优化

运行后在我本机的耗时：20毫秒，gc发生6次。

再来看看发生逃逸的对象使用标量替换效果

测试代码如下：

void testEliminateAllocationsWithEscape() {
  int n = 100000000;
  long start = System.currentTimeMillis();
  EscapeAnalysis escapeAnalysis = new EscapeAnalysis();
  for (int i = 0; i < n; i++) {
    // escape()发生逃逸
    escapeAnalysis.escape();
  }
  System.out.println("耗时：" + (System.currentTimeMillis() - start));
}

将jvm参数设置如下：

-Xms5m 最小堆内存5M
-Xmx5m 最大堆内存5M
-XX:+PrintGC  打印gc日志
-XX:+EliminateAllocations 关闭标量替换优化

运行后在我本机的耗时：3705毫秒，gc发生2000多次。

总结

1. 可以看到通过逃逸分析与标量替换技术有效的减少了gc次数（减少了对象在堆中创建的数量）。
2. 实际编码过程中避免对象逃逸情况是一种理想的情况。可以形成一种编码意识，尽量去减少对象逃逸。

思考

标量替换只是利用逃逸分析其中的一种优化措施， 还有其它优化措施吗？

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