深入拆解 Java 虚拟机

前不久，有同学问我，String.indexOf方法和自己实现的indexOf方法在字节码层面上差不多，为什么执行效率却有天壤之别呢？今天我们就来看一看。

public int indexOf(String str) {
    if (coder() == str.coder()) {
        return isLatin1() ? StringLatin1.indexOf(value, str.value)
                          : StringUTF16.indexOf(value, str.value);
    }
    if (coder() == LATIN1) {  // str.coder == UTF16
        return -1;
    }
    return StringUTF16.indexOfLatin1(value, str.value);
}

为了解答这个问题，我们来读一下String.indexOf方法的源代码（上面的代码截取自Java 10.0.2）。

在Java 9之前，字符串是用char数组来存储的，主要为了支持非英文字符。然而，大多数Java程序中的字符串都是由Latin1字符组成的。也就是说每个字符仅需占据一个字节，而使用char数组的存储方式将极大地浪费内存空间。

Java 9引入了Compact Strings[1]的概念，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。

假设我们调用String.indexOf方法的调用者以及参数均为只包含Latin1字符的字符串，那么该方法的关键在于对StringLatin1.indexOf方法的调用。

下面我列举了StringLatin1.indexOf方法的源代码。你会发现，它并没有使用特别高明的算法，唯一值得注意的便是方法声明前的@HotSpotIntrinsicCandidate注解。

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static int indexOf(byte[] value, byte[] str) {
    if (str.length == 0) {
        return 0;
    }
    if (value.length == 0) {
        return -1;
    }
    return indexOf(value, value.length, str, str.length, 0);
}

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static int indexOf(byte[] value, int valueCount, byte[] str, int strCount, int fromIndex) {
    byte first = str[0];
    int max = (valueCount - strCount);
    for (int i = fromIndex; i <= max; i++) {
        // Look for first character.
        if (value[i] != first) {
            while (++i <= max && value[i] != first);
        }
        // Found first character, now look at the rest of value
        if (i <= max) {
            int j = i + 1;
            int end = j + strCount - 1;
            for (int k = 1; j < end && value[j] == str[k]; j++, k++);
            if (j == end) {
                // Found whole string.
                return i;
            }
        }
    }
    return -1;
}

在HotSpot虚拟机中，所有被该注解标注的方法都是HotSpot intrinsic。对这些方法的调用，会被HotSpot虚拟机替换成高效的指令序列。而原本的方法实现则会被忽略掉。

换句话说，HotSpot虚拟机将为标注了@HotSpotIntrinsicCandidate注解的方法额外维护一套高效实现。如果Java核心类库的开发者更改了原本的实现，那么虚拟机中的高效实现也需要进行相应的修改，以保证程序语义一致。

需要注意的是，其他虚拟机未必维护了这些intrinsic的高效实现，它们可以直接使用原本的较为低效的JDK代码。同样，不同版本的HotSpot虚拟机所实现的intrinsic数量也大不相同。通常越新版本的Java，其intrinsic数量越多。

你或许会产生这么一个疑问：为什么不直接在源代码中使用这些高效实现呢？

这是因为高效实现通常依赖于具体的CPU指令，而这些CPU指令不好在Java源程序中表达。再者，换了一个体系架构，说不定就没有对应的CPU指令，也就无法进行intrinsic优化了。

下面我们便来看几个具体的例子。

# intrinsic与CPU指令

在文章开头的例子中，StringLatin1.indexOf方法将在一个字符串（byte数组）中查找另一个字符串（byte数组），并且返回命中时的索引值，或者-1（未命中）。

“恰巧”的是，X86_64体系架构的SSE4.2指令集就包含一条指令PCMPESTRI，让它能够在16字节以下的字符串中，查找另一个16字节以下的字符串，并且返回命中时的索引值。

因此，HotSpot虚拟机便围绕着这一指令，开发出X86_64体系架构上的高效实现，并替换原本对StringLatin1.indexOf方法的调用。

另外一个例子则是整数加法的溢出处理。一般我们在做整数加法时，需要考虑结果是否会溢出，并且在溢出的情况下作出相应的处理，以保证程序的正确性。

Java核心类库提供了一个Math.addExact方法。它将接收两个int值（或long值）作为参数，并返回这两个int值的和。当这两个int值之和溢出时，该方法将抛出ArithmeticException异常。

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static int addExact(int x, int y) {
    int r = x + y;
    // HD 2-12 Overflow iff both arguments have the opposite sign of the result
    if (((x ^ r) & (y ^ r)) < 0) {
        throw new ArithmeticException("integer overflow");
    }
    return r;
}

在Java层面判断int值之和是否溢出比较费事。我们需要分别比较两个int值与它们的和的符号是否不同。如果都不同，那么我们便认为这两个int值之和溢出。对应的实现便是两个异或操作，一个与操作，以及一个比较操作。

在X86_64体系架构中，大部分计算指令都会更新状态寄存器（FLAGS register），其中就有表示指令结果是否溢出的溢出标识位（overflow flag）。因此，我们只需在加法指令之后比较溢出标志位，便可以知道int值之和是否溢出了。对应的伪代码如下所示：

public static int addExact(int x, int y) {
    int r = x + y;
    jo LABEL_OVERFLOW; // jump if overflow flag set
    return r;
    LABEL_OVERFLOW:
      throw new ArithmeticException("integer overflow");
      // or deoptimize
}

最后一个例子则是Integer.bitCount方法，它将统计所输入的int值的二进制形式中有多少个1。

@HotSpotIntrinsicCandidate
public static int bitCount(int i) {
    // HD, Figure 5-2
    i = 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;
}

我们可以看到，Integer.bitCount方法的实现还是很巧妙的，但是它需要的计算步骤也比较多。在X86_64体系架构中，我们仅需要一条指令popcnt，便可以直接统计出int值中1的个数。

# intrinsic与方法内联

HotSpot虚拟机中，intrinsic的实现方式分为两种。

一种是独立的桩程序。它既可以被解释执行器利用，直接替换对原方法的调用；也可以被即时编译器所利用，它把代表对原方法的调用的IR节点，替换为对这些桩程序的调用的IR节点。以这种形式实现的intrinsic比较少，主要包括Math类中的一些方法。

另一种则是特殊的编译器IR节点。显然，这种实现方式仅能够被即时编译器所利用。

在编译过程中，即时编译器会将对原方法的调用的IR节点，替换成特殊的IR节点，并参与接下来的优化过程。最终，即时编译器的后端将根据这些特殊的IR节点，生成指定的CPU指令。大部分的intrinsic都是通过这种方式实现的。

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节点时，它将查询目标方法是不是intrinsic。

如果是，则插入相应的特殊IR节点；如果不是，则进行原本的内联工作。（即判断是否需要内联目标方法的方法体，并在需要内联的情况下，将目标方法的IR图纳入当前的编译范围之中。）

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略原目标方法的字节码，甚至根本不在乎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开销便直接消失不见，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。

# 已有intrinsic简介

最新版本的HotSpot虚拟机定义了三百多个intrinsic。

在这三百多个intrinsic中，有三成以上是Unsafe类的方法。不过，我们一般不会直接使用Unsafe类的方法，而是通过java.util.concurrent包来间接使用。

举个例子，Unsafe类中经常会被用到的便是compareAndSwap方法（Java 9+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。

除了Unsafe类的方法之外，HotSpot虚拟机中的intrinsic还包括下面的几种。

  1. StringBuilder和StringBuffer类的方法。HotSpot虚拟机将优化利用这些方法构造字符串的方式，以尽量减少需要复制内存的情况。
  2. String类、StringLatin1类、StringUTF16类和Arrays类的方法。HotSpot虚拟机将使用SIMD指令（single instruction multiple data，即用一条指令处理多个数据）对这些方法进行优化。
    举个例子，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。
  3. 基本类型的包装类、Object类、Math类、System类中各个功能性方法，反射API、MethodHandle类中与调用机制相关的方法，压缩、加密相关方法。这部分intrinsic则比较简单，这里就不详细展开了。如果你有感兴趣的，可以自行查阅资料，或者在文末留言。

如果你想知道HotSpot虚拟机定义的所有intrinsic，那么你可以直接查阅OpenJDK代码[2]。（该链接是Java 12的intrinsic列表。Java 8的intrinsic列表可以查阅这一链接[3]。）

# 总结与实践

今天我介绍了HotSpot虚拟机中的intrinsic。

HotSpot虚拟机将对标注了@HotSpotIntrinsicCandidate注解的方法的调用，替换为直接使用基于特定CPU指令的高效实现。这些方法我们便称之为intrinsic。

具体来说，intrinsic的实现有两种。一是不大常见的桩程序，可以在解释执行或者即时编译生成的代码中使用。二是特殊的IR节点。即时编译器将在方法内联过程中，将对intrinsic的调用替换为这些特殊的IR节点，并最终生成指定的CPU指令。

HotSpot虚拟机定义了三百多个intrinsic。其中比较特殊的有Unsafe类的方法，基本上使用java.util.concurrent包便会间接使用到Unsafe类的intrinsic。除此之外，String类和Arrays类中的intrinsic也比较特殊。即时编译器将为之生成非常高效的SIMD指令。

今天的实践环节，你可以体验一下Integer.bitCount intrinsic带来的性能提升。

// time java Foo
public class Foo {
  public static int bitCount(int i) {
    // HD, Figure 5-2
    i = 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;
  }
  public static void main(String[] args) {
    int sum = 0;
    for (int i = Integer.MIN_VALUE; i < Integer.MAX_VALUE; i++) {
      sum += bitCount(i); // In a second run, replace with Integer.bitCount
    }
    System.out.println(sum);
  }
}

[1] http://openjdk.java.net/jeps/254
[2] http://hg.openjdk.java.net/jdk/hs/file/46dc568d6804/src/hotspot/share/classfile/vmSymbols.hpp#l727
[3] http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/2af8917ffbee/src/share/vm/classfile/vmSymbols.hpp#l647

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