【随便聊聊 JVM原理】 虚拟机做的那些优化 - intrinsic

前言

最近公司企业微信给我们开通了极客时间的SVIP，我就顺便看了一些，突然就想起来之前一段时间找工作没有去记录，这次正好重新出发！
之前也写过一个类似的关于Java的JIT(即时编译器)知识整理虚拟机相关的知识，这次正好了解到他的另外一个特性， intrinsic

一、我是怎么了解到intrinsic

一天，我在认（mo）真（yu）工（hua）作（shui）的时候，突然看的一个注解，就正常的百度了下，一查不要紧，一堆不懂的，之后一发不可收拾，首先看的的是这个注解 @HotSpotIntrinsicCandidate，听说是JDK8有，就是比较少（JDK8有intrinsic - 直接看最后的参考资料），但是没有这个注解），找办法没找到，我就下了个JDK11，在String.java中找到了

这里顺便提一嘴，点进注解，才发现，是从JDK9开始有的

顺带提一嘴，因为以下原因

JDK9 之前的库的 String 类的实现使用了 char 数组来存放字符串,是为了兼容非英文字符，而大多数Java程序中的字符串都是由Latin1（ISO-8859-1别名 每个字符占1字节）字符组成的，char 占用16位，即两字节。
这就存在了空间浪费，所以Java9提出了Compact String的概念，新增一个属性private final byte coder; 当字符串仅包含 Latin1 字符时，使用一个字节代表一个字符的编码格式，使得内存使用效率大大提高。

String的底层实现由JDK8的char[]变成了byte[]

二、由intrinsic我了解到什么

看完这些，其实开头所说的intrinsic就已经出现了，就是@HotSpotIntrinsicCandidate, 它的作用很简单，就是将使用这个注解的方法，在调用时，会被Hotspot虚拟机替换成高效的指令序列，忽略原本的实现。

而类似的，就像我在Java内存模型 -底层原理中提到的JVM的重排序

CPU避免内存访问延迟最常见的技术是将指令管道化，然后尽量重排这些管道的执行以最大化利用缓存，从而把因为缓存未命中引起的延迟降到最小。
当一个程序执行时，只要最终的结果是一样的，指令是否被重排并不重要。

⚠️ 需要注意的是

• 并不是所有虚拟机都维护了同样的高效实现 —— 目前主流的商用虚拟机（HotSpot（Oracle）、J9 VM（IBM））
• 并不是所有的CPU架构都适用这些优化 —— 目前讨论的为x86架构（amd64同），像苹果的M系列以及其他的ARM架构的CPU就需要单独适配指令
• 如果没有对应的指令，就会直接使用JDK的实现
• 因为这些差异，这些优化才没有被直接放在源代码中

三、intrinsic与CPU指令

前面说那么多，优化，到底是怎么优化的

3.1 StringLatin1.indexof()

StringLatin1.indexof() 会被替换成 X86_64体系结构下的SSE4.2指令集中的PCMPESTRI —— 简单来说，就是它能够在16位以下的字符串中，查找另一个16字节以下的字符串，并返回命中的索引

3.2 Math中的大量方法

Java的Math类库中有着很多的intrinsic的方法，我门就看看其中的
Math.addExact —— 这个方法有两个重载分别位接收两个int和long值，并返回相加的值，当结果和溢出时，抛出 ArithmeticException(“integer overflow”);

  /*** Returns the sum of its arguments,* throwing an exception if the result overflows an {@code int}.** @param x the first value* @param y the second value* @return the result* @throws ArithmeticException if the result overflows an int* @since 1.8*/@HotSpotIntrinsicCandidatepublic static int addExact(int x, int y) {int r = x + y;// HD 2-12 Overflow iff both arguments have the opposite sign of the resultif (((x ^ r) & (y ^ r)) < 0) {throw new ArithmeticException("integer overflow");}return r;}

在Java层面判断两个值的和是否超过最大值对应的就是两个异或、一个和与一个比较操作，而在X86_64体系中，大部分计算指令都会更新状态寄存器（Flags register), 其中就有表示是否溢出的标志位（overflow flag），因此我吗只需要在操作完成后，比较标志位即可。

3.3 Integer.bigCount()

这个方法是统计所输入int值的二进制形式有多少个1

    /*** Returns the number of one-bits in the two's complement binary* representation of the specified {@code int} value.  This function is* sometimes referred to as the <i>population count</i>.** @param i the value whose bits are to be counted* @return the number of one-bits in the two's complement binary*     representation of the specified {@code int} value.* @since 1.5*/@HotSpotIntrinsicCandidatepublic static int bitCount(int i) {// HD, Figure 5-2i = i - ((i >>> 1) & 0x55555555);i = (i & 0x33333333) + ((i >>> 2) & 0x33333333);i = (i + (i >>> 4)) & 0x0f0f0f0f;i = i + (i >>> 8);i = i + (i >>> 16);return i & 0x3f;}

可以看的，源码中的实现方式通过二进制的计算应该也是比较高明的，但是相对于X86_64体系架构中的一条指令popcnt就可以计算出1的个数，还是更加高效的。

3.4 Unsafe 类中经常会被用到的便是 compareAndSwap 方法

compareAndSwap（）其实就是我们经常说的乐观锁思想的CAS的实现, 在JDK9+，被更名为 compareAndSet 或 compareAndExchange 方法。

在 X86_64 体系架构中，对这些方法的调用将被替换为lock cmpxchg 指令，也就是原子性更新指令。

3.5 String类、StringLatin1类、StringUTF16类和Arrays类的方法。

HotSpot 虚拟机将使用 SIMD 指令（single intruction multiple data，即用一条指令处理多个数据）小标题的类进行优化

For example，Arrays.equals(byte[], byte[])方法原本是逐个字节比较，在使用了 SIMD 指令之后，可以放入 16 字节的 XMM 寄存器中（甚至是 64 字节的 ZMM 寄存器中）批量比较。

四、intrinsic与方法内联

Hotspot虚拟机中，intrinsic实现方式分为两种

1. 独立程序桩，就是在解释或者即时编译时调用，这类实现形式较少，主要为Math类中的一些方法
2. 特殊的编译器IR —— 中间表达形式(Intermediate Representation)节点

在编译原理中，通常把编译器分为前端和后端，前端编译经过词法分析、语法分析、语义分析生成中间表达形式(Intermediate Representation，以下称为IR)，后端会对IR进行优化，生成目标代码。
Java字节码就是一种IR，但是字节码的结构复杂，字节码这样代码形式的IR也不适合做全局的分析优化。现代编译器一般采用图结构的IR，静态单赋值(Static Single Assignment，SSA)IR是目前比较常用的一种。这种IR的特点是每个变量只能被赋值一次，而且只有当变量被赋值之后才能使用。

在编译过程中，即时编译器使用特殊的IR节点替换原有IR节点，被后端使用，生产CPU指令，这是大部分intrinsic实现的方式。

这个替换过程是在方法内联时进行的，当即时编译器碰到方法调用，会先查询方法是否为intrinsic。如果是，插入特殊IR，不是，进行原本内联的工作。

内联不仅将被调用方法的IR图节点复制到调用者方法的IR图中，还要完成其他操作。被调用方法的参数替换为调用者方法进行方法调用时所传入参数。

也就是说，如果方法调用的目标方法是 intrinsic，那么即时编译器会直接忽路原目标方法的宇节码，忽略原目标方法是否有字节码。即便是native 方法，只要它被标记为intrinsic，即时编译器便能够将之〝内联“进来，并插入特殊的IR节点。
事实上，不少被标记为 intrinsic 的方法都是native 方法。原本对这些native 方法的调用需要经过 JNI (Java Native Interface），其性能开销十分巨大。但是，经过即时编译器的intrinsic 优化之后，这部分 JNI 开销便直接消失，并且最终的结果也十分高效。
举个例子，我们可以通过Thread.currentThread方法来获取当前线程。这是一个 native方法，同时也是一个 Hotspot intrinsic。在x86_64 体系架构中，R13 寄存器存放着当前线程的指针。因此．对该方法的调用将被即时编译器替换为一个特殊 IR 节点，并最终生成读取 R13 寄存器指令。

五、现有的intrinsic

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参考资料

1. 22 | HotSpot虚拟机的intrinsic
2. java ir_基本功 | Java即时编译器原理解析及实践
3. 为什么int型最大值加一后等于这个值？
4. [译]看JVM如何用最酷的x86指令来比较字符串
5. java ir_基本功 | Java即时编译器原理解析及实践
6. Compact Strings
7. Java 12 OpenJDK / jdk / hs
8. Java 8 OpenJDK / jdk8u / jdk8u / hotspot