Java编译器优化秘籍：字节码背后的IR魔法与常见技巧

中间表达形式

编译器通常被划分为前端编译器和后端编译器两个部分。前端编译器负责对源代码进行词法分析、语法分析和语义分析，生成中间表达形式（Intermediate Representation ，IR）。这种由前端生成的IR被称为高级中间表达形式（High Intermediate Representation，HIR），其优化主要与源代码本身的特性有关。

后端后端编译器则将HIR转换为低级中间表达形式（Low Intermediate Representation，LIR），并进行进一步的优化。这种优化主要与目标机器的硬件特性有关。最终，LIR会被翻译成目标机器代码。

在不考虑解释执行的情况下，源代码到最终机器码的转换过程通常包括两个编译阶段：

1）Java编译器（如javac）将源代码编译成字节码；

2）即时编译器将字节码编译成机器码。

对于即时编译器，字节码直接被视为一种IR，是Java虚拟机的通用"语言"。它结构化、平台无关，但对于进行复杂的全局优化而言，其基于栈的指令格式和较为紧凑的表示方式并不总是最理想的。

因此，当即时编译器（如C1或C2）开始工作时，它首先会将输入的字节码转换为其内部更适合分析和优化的IR。现代编译器通常采用图结构的IR，其中静态单赋值（Static Single Assignment，SSA）IR是一种常用的IR特性，它要求每个变量只被赋值一次。SSA形式极大地简化了许多优化算法的实现，如常量传播、死代码消除、公共子表达式消除、寄存器分配等。

HotSpot C2编译器采用一种称为Sea of Nodes（节点之海）的高度优化的图IR，它就是基于SSA的。这种IR将程序表示为数据流图和控制流图的结合，节点代表操作，边代表数据流或控制依赖。它允许进行非常自由和强大的代码变换和优化。

总结来说，从Java源代码到最终在处理器上执行的机器码，如果排除纯解释执行，大致经历以下IR转换：

源代码 ->（javac）->Java字节码 ->（即时编译前端） ->即时编译内部HIR （如SSA图） ->（即时编译中端优化） ->即时编译内部LIR ->（即时编译后端） ->目标机器码。

机器无关的编译优化

编译优化的方法主要可以分为机器无关与机器相关的优化。

1）机器无关的优化与硬件特征无关，比如把常数值在编译期计算出来（常数折叠）。

2）机器相关的优化则需要利用某硬件特有的特征，比如 SIMD 指令等。

值编号

值编号（Value numbering）用于消除冗余的计算。编译器通过跟踪每个计算的值，如果发现两个计算的值相同，就可以将其中一个计算替换为另一个计算的结果。

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// 值编号前的代码
int a = 5;
int b = 10;
int c = a + b;
int d = a + b;


// 值编号后的代码
int a = 5;
int b = 10;
int c = a + b;
int d = c;

常数折叠

常量折叠（Constant folding）通过在编译时计算常数表达式的值，将这些表达式替换为它们的计算结果。

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// 常量折叠前的代码
int a = 5 * 10;


// 常量折叠后的代码
int a = 50;

常数传播

常数传播（Constant oropagation）它通过分析代码中的常数赋值和使用，将常数值直接传播到使用它们的表达式中。

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// 常量传播前的代码
int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;


// 常量传播后的代码
int c = 10 + 20;

死代码消除

死代码消除（Dead Code Elimination）旨在移除程序中不会影响最终结果的代码，减少程序的大小。

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// 死代码消除前的代码
int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;  // 这行代码是死代码，因为 c 没有被使用
if (a > 5) {
    print("a is greater than 5");
}
int d = 30;  // 这行代码是死代码，因为 d 没有被使用


// 死代码消除后的代码
int a = 10;
if (a > 5) {
    print("a is greater than 5");
}

公共子表达式消除

公共子表达式消除（Common subexpression elimination，CSE）通过识别并消除重复的子表达式，避免在运行时多次计算相同的子表达式。

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// 公共子表达式消除前的代码
int a = x * y;
int b = x * y;


// 公共子表达式消除后的代码
int a = x * y;
int b = a;

null判断消除

null判断消除（Null check elimination）通过在编译时分析代码，确定某些引用不可能为null，从而消除不必要的null检查。

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// null判断消除前的代码
String str = "Hello, World!";
 // Null检查
if (str != null) {
    System.out.println(str);
}    

 
// null判断消除后的代码
// 编译器可以确定str不可能为null，从而消除null检查
String str = "Hello, World!";
System.out.println(str);

边界检查消除

边界检查消除（Bounds check elimination）通过在编译时分析代码，判断数组访问是否越界，从而在运行时避免不必要的边界检查。

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// 边界检查消除前的代码
// for循环中的数组访问array[i]需要进行边界检查
int[] array = new int[10];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
  array[i] = i * 2;
}

 
// 边界检查消除后的代码
// 编译器消除了for循环中的边界检查，因为它可以在编译时确定i的值不会越界
int[] array = new int[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  array[i] = i * 2;
}

循环展开

循环展开（Loop unrolling）通过减少循环次数并在每次循环中执行更多的操作，以减少循环控制开销。同时它还会增加一个基本块中的指令数量，从而为指令排序的优化算法创造机会。在循环展开的基础上，可以实现把多次计算优化成一个向量计算。

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// 循环展开前的代码
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
  sum += i;
}


// 循环展开后的代码
// 优化后将循环次数减少到了5次
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 10; i += 2) {
  sum += i;
  sum += i + 1;
}

未完待续

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