深入理解編譯優化之迴圈展開和粗化鎖
阿新 • • 發佈：2020-07-04
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# 簡介
之前在講JIT的時候，有提到在編譯過程中的兩種優化迴圈展開和粗化鎖，今天我們和小師妹一起從Assembly的角度來驗證一下這兩種編譯優化方法，快來看看吧。
# 迴圈展開和粗化鎖
小師妹:F師兄，上次你講到在JIT編譯的過程中會進行一些編譯上面的優化，其中就有迴圈展開和粗化鎖。我對這兩種優化方式很感興趣，能不能展開講解一下呢？
當然可以，我們先來回顧一下什麼是迴圈展開。
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迴圈展開就是說，像下面的迴圈遍歷的例子：
~~~java
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
x += 0x51;
}
~~~
因為每次迴圈都需要做跳轉操作，所以為了提升效率，上面的程式碼其實可以被優化為下面的：
~~~java
for (int i = 0; i < 250; i++) {
x += 0x144; //0x51 * 4
}
~~~
注意上面我們使用的是16進位制數字，至於為什麼要使用16進位制呢？這是為了方便我們在後面的assembly程式碼中快速找到他們。
好了，我們再在 x += 0x51 的外面加一層synchronized鎖，看一下synchronized鎖會不會隨著loop unrolling展開的同時被粗化。
~~~java
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronized (this) {
x += 0x51;
}
}
~~~
萬事具備，只欠我們的執行程式碼了，這裡我們還是使用JMH來執行。
相關程式碼如下：
~~~java
@Warmup(iterations = 10, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Measurement(iterations = 5, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Fork(value = 1,
jvmArgsPrepend = {
"-XX:-UseBiasedLocking",
"-XX:CompileCommand=print,com.flydean.LockOptimization::test"
}
)
@State(Scope.Benchmark)
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.NANOSECONDS)
public class LockOptimization {
int x;
@Benchmark
@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
public void test() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
synchronized (this) {
x += 0x51;
}
}
}
public static void main(String[] args) throws RunnerException {
Options opt = new OptionsBuilder()
.include(LockOptimization.class.getSimpleName())
.build();
new Runner(opt).run();
}
}
~~~
上面的程式碼中，我們取消了偏向鎖的使用：-XX:-UseBiasedLocking。為啥要取消這個選項呢？因為如果在偏向鎖的情況下，如果執行緒獲得鎖之後，在之後的執行過程中，如果沒有其他的執行緒訪問該鎖，那麼持有偏向鎖的執行緒則不需要觸發同步。
為了更好的理解synchronized的流程，這裡我們將偏向鎖禁用。
其他的都是我們之前講過的JMH的常規操作。
接下來就是見證奇蹟的時刻了。
# 分析Assembly日誌
我們執行上面的程式，將會得到一系列的輸出。因為本文並不是講解Assembly語言的，所以本文只是大概的理解一下Assembly的使用，並不會詳細的進行Assembly語言的介紹，如果有想深入瞭解Assembly的朋友，可以在文後留言。
分析Assembly的輸出結果，我們可以看到結果分為C1-compiled nmethod和C2-compiled nmethod兩部分。
先看C1-compiled nmethod：
第一行是monitorenter,表示進入鎖的範圍，後面還跟著對於的程式碼行數。
最後一行是monitorexit,表示退出鎖的範圍。
中間有個add $0x51,%eax操作，對於著我們的程式碼中的add操作。
可以看到C1—compiled nmethod中是沒有進行Loop unrolling的。
我們再看看C2-compiled nmethod:
和C1很類似，不同的是add的值變成了0x144,說明進行了Loop unrolling，同時對應的鎖範圍也跟著進行了擴充套件。
最後看下執行結果：
~~~java
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
LockOptimization.test avgt 5 5601.819 ± 620.017 ns/op
~~~
得分還不錯。
# 禁止Loop unrolling
接下來我們看下如果將Loop unrolling禁掉，會得到什麼樣的結果。
要禁止Loop unrolling，只需要設定-XX:LoopUnrollLimit=1即可。
我們再執行一下上面的程式:
可以看到C2-compiled nmethod中的數字變成了原本的0x51，說明並沒有進行Loop unrolling。
再看看執行結果：
~~~java
Benchmark Mode Cnt Score Error Units
LockOptimization.test avgt 5 20846.709 ± 3292.522 ns/op
~~~
可以看到執行時間基本是優化過後的4倍左右。說明Loop unrolling還是非常有用的。
# 總結
本文介紹了迴圈展開和粗化鎖的實際例子，希望大家能夠喜歡。
本文的例子[https://github.com/ddean2009/learn-java-base-9-to-20](https://github.com/ddean2009/learn-java-base-9-to-20)
> 本文作者：flydean程式那些事
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> 本文連結：[http://www.flydean.com/jvm-jit-loop-unrolling-lock-coarsening/](http://www.flydean.com/jvm-jit-loop-unrolling-lock-coarsening/)
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> 本文來源：flydean的部落格
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