java中对象的逃逸 java 逃逸

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香奈儿 2023-11-27 20:53:34

文章标签 java中对象的逃逸标量 Java 即时编译器 文章分类 Java 后端开发

一、概念

逃逸分析（Escape Analysis）是目前 Java 虚拟机中比较前沿的优化技术。

逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，称为方法逃逸。甚至还有可能被外部线程访问到，比如赋值给类变量或可以在其它线程中访问的实例变量，称为线程逃逸。

在 Java 虚拟机的即时编译语境下，逃逸分析将判断新建的对象是否逃逸。即时编译器判断对象是否逃逸的依据，一是对象是否被存入堆中（静态字段或者堆中对象的实例字段），二是对象是否被传入未知代码中。

前者很好理解：一旦对象被存入堆中，其他线程便能获得该对象的引用。即时编译器也因此无法追踪所有使用该对象的代码位置。

关于后者，由于 Java 虚拟机的即时编译器是以方法为单位的，对于方法中未被内联的方法调用，即时编译器会将其当成未知代码，毕竟它无法确认该方法调用会不会将调用者或所传入的参数存储至堆中。因此，我们可以认为方法调用的调用者以及参数是逃逸的。

通常来说，即时编译器里的逃逸分析是放在方法内联之后的，以便消除这些 “未知代码” 入口。

二、基于逃逸分析的优化

上面的概念是不是有点抽象？那我们来看个例子：

public static StringBuffer craeteStringBuffer(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb;
}
 
public static String createString(String s1, String s2) {
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append(s1);
    sb.append(s2);
    return sb.toString();
}

第一段代码中的sb就逃逸了，而第二段代码中的sb就没有逃逸。

如果能证明一个对象不会逃逸到方法或线程之外，也就是别的方法或线程无法通过任何途径访问到这个对象，则可能为这个变量进行一些高效的优化。

即时编译器可以根据逃逸分析的结果进行诸如同步消除、栈上分配以及标量替换的优化。

1、同步消除

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。

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。

如果同步块所使用的锁对象通过这种分析被证实只能够被一个线程访问，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。这个取消同步的过程就叫同步省略，也叫锁消除。

如下代码：

public void fun() {
    Object obj = new Object();
    synchronized(obj) {
        System.out.println(obj);
    }
}

代码中对obj这个对象进行加锁，但是obj对象的生命周期只在fun()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：

public void fun() {
    Object obj = new Object();
    System.out.println(obj);
}

所以，在使用synchronized的时候，如果JIT经过逃逸分析之后发现并无线程安全问题的话，就会做锁消除。

2、栈上分配

我们知道，Java 虚拟机中对象都是在堆上分配的，而堆上的内容对任何线程都是可见的。与此同时，Java 虚拟机需要对所分配的堆内存进行管理，并且在对象不再被引用时回收其所占据的内存。

如果逃逸分析能够证明某些新建的对象不逃逸，那么 Java 虚拟机完全可以将其分配至栈上，并且在 new 语句所在的方法退出时，通过弹出当前方法的栈桢来自动回收所分配的内存空间。这样一来，我们便无须借助垃圾回收器来处理不再被引用的对象。

不过，由于实现起来需要更改大量假设了“对象只能堆分配”的代码，因此 HotSpot 虚拟机并没有采用栈上分配，而是使用了标量替换这么一项技术。

3、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（就是仅能存储一个值的变量，比如 Java 代码中的局部变量）。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。

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。

如下代码：

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

以上代码中，point对象并没有逃逸出alloc方法，并且point对象是可以拆解成标量的。那么，JIT就会不会直接创建Point对象，而是直接使用两个标量int x ，int y来替代Point对象。

以上代码，经过标量替换后，就会变成：

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。

由于该对象没有被实际分配，因此和栈上分配一样，它同样可以减轻垃圾回收的压力。与栈上分配相比，它对字段的内存连续性不做要求，而且，这些字段甚至可以直接在寄存器中维护，无须浪费任何内存空间。

三、部分逃逸分析

C2 的逃逸分析与控制流无关，相对来说比较简单。Graal 则引入了一个与控制流有关的逃逸分析，名为部分逃逸分析（partial escape analysis）。它解决了所新建的实例仅在部分程序路径中逃逸的情况。

举个例子，在下面这段代码中，新建实例只会在进入 if-then 分支时逃逸。（对hashCode方法的调用是一个 HotSpot intrinsic，将被替换为一个无法内联的本地方法调用。）

public static void bar(boolean cond) {
	Object foo = new Object();
	if (cond) {
		foo.hashCode();
	}
}
// 可以手工优化为：
public static void bar(boolean cond) {
	if (cond) {
		Object foo = new Object();
		foo.hashCode();
	}
}

假设 if 语句的条件成立的可能性只有 1%，那么在 99% 的情况下，程序没有必要新建对象。其手工优化的版本正是部分逃逸分析想要自动达到的成果。

部分逃逸分析将根据控制流信息，判断出新建对象仅在部分分支中逃逸，并且将对象的新建操作推延至对象逃逸的分支中。这将使得原本因对象逃逸而无法避免的新建对象操作，不再出现在只执行 if-else 分支的程序路径之中。

综上，与 C2 所使用的逃逸分析相比，Graal 所使用的部分逃逸分析能够优化更多的情况，不过它编译时间也更长一些。