Java 理论与实践: 再谈Urban性能传言

2019-11-18 11:58:32

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供稿：网友

　　java? 语言遭到许多性能方面的攻击。虽然有些攻击可能是名符其实的，但是看看公告板和新闻组上关于这一主题的贴子，可以发现，对于 Java 虚拟机（JVM）实际的工作方式存在许多误解。在本月的 Java 理论与实践中，Brian Goetz 驳斥了反复重复的有关 JVM 分配慢的传言。请与作者和其他读者在配套的讨论组上分享您对这篇文章的想法。
　　
　　继续，弄得一团糟
　　
　　没有必要搜索众多的 blog 或 Slashdot 贴子，去寻找像“垃圾收集永远不会像直接内存治理一样有效”这样能够说服人的陈述。而且，从某个方面来说，这些话说的是对的 —— 动态内存治理并不一样快 —— 而是快得多。malloc/free 技术一次处理一个内存块，而垃圾收集机制则采用大批量方式处理内存治理，从而形成更多的优化机会（以一些可以预见到的损失为代价）。
　　
　　这条“听起来有理的意见” （以大批量清理垃圾要比一天到晚一点点儿清理垃圾更轻易）得到了数据的证实。一项研究（Zorn; 请参阅参考资料）测量了在许多常见 C++ 应用程序中，用保守的 Boehm-Demers-Weiser（BDW）替换 malloc 的效果，结果是：许多程序在采用垃圾收集而不是传统的分配器运行时，表现出了速度提升。（BDW 是个保守的、不移动的垃圾收集器，严重地限制了对分配和回收进行优化的能力，也限制了改善内存位置的能力；像 JVM 中使用的那些精确的浮动收集器可以做得更好。）
　　
　　在 JVM 中的分配并不总是这么快，早期 JVM 的分配和垃圾收集性能实际上很差，这当然就是 JVM 分配慢这一说法的起源。在非常早的时候，我们看到过许多“分配慢”的意见 —— 因为就像早期 JVM 中的一切一样，它确实慢 —— 而性能顾问提供了许多避免分配的技巧，例如对象池。（公共服务声明：除了对最重量的对象之外，对象池现在对于所有对象都是严重的性能损失，而且要在不造成并发瓶颈的情况下使用对象池也很需要技巧。）但是，从 JDK 1.0 开始已经发生了许多变化；JDK 1.2 中引入的分代收集器（generational collector）支持简单得多的分配方式，可以极大地提高性能。
　　
　　分代垃圾收集
　　
　　分代垃圾收集器把堆分成多代；多数 JVM 使用两代，“年轻代”和“年老代”。对象在年轻代中分配；假如它们在一定数量的垃圾收集之后仍然存在，就被当作是”长寿的“，并晋升到年老代。
　　
　　HotSpot 提供了使用三个年轻代收集器的选择（串行拷贝、并行拷贝和并行清理），它们都采用“拷贝”收集器的形式，有几个重要的公共特征。拷贝收集器把内存空间从中间分成两半，每次只使用一半。开始时，使用中的一半构成了可用内存的一个大块；分配器满足分配请求时，返回它没有使用的空间的前 N 个字节，并把指针（分隔“使用”部分）从“自由”部分移动过来，如清单 1 的伪代码所示。当使用的那一半用满时，垃圾收集器把所有活动对象（不是垃圾的那些对象）拷贝到另一半的底部（把堆压缩成连续的），然后从另一半开始分配。
　　
　　清单 1. 在存在拷贝收集器的情况下，分配器的行为
　　
　　void *malloc(int n) {
　　if (heapTop - heapStart < n)
　　doGarbageCollection();
　　
　　void *wasStart = heapStart;
　　heapStart += n;
　　return wasStart;
　　}
　　
　　从这个伪代码可以看出为什么拷贝收集器可以实现这么快的分配 —— 分配新对象只是检查在堆中是否还有足够的剩余空间，假如还有，就移动指针。不需要搜索自由列表、最佳匹配、第一匹配、lookaside 列表，只要从堆中取出前 N 个字节，就成功了。
　　
　　如何回收？
　　
　　但是分配仅仅是内存治理的一半，回收是另一半。对于多数对象来说，直接垃圾收集的成本为零。这是因为，拷贝收集器不需要访问或拷贝死对象，只处理活动对象。所以在分配之后很快就变成垃圾的对象，不会造成收集周期的工作量。
　　
　　在典型的面向对象程序中，绝大多数对象（根据不同的研究，在 92% 到 98% 之间）“死于年轻”，这意味着它们在分配之后，通常在下一次垃圾收集之前，很快就变成垃圾。（这个属性叫作分代假设，对于许多面向对象语言已经得到实际测试，证实为真。）所以，不仅分配要快，对于多数对象来说，回收也要自由。
　　
　　线程本地分配
　　
　　假如分配器完全像清单 1 所示的那样实现，那么共享的 heapStart 字段会迅速变成显著的并发瓶颈，因为每个分配都要取得保护这个字段的锁。为了避免这个问题，多数 JVM 采用了线程本地分配块，这时每个线程都从堆中分配一个更大的内存块，然后顺序地用这个线程本地块为小的分配请求提供服务。所以，线程花在获得共享堆锁的大量时间被大大减少，从而提高了并发性。（在传统的 malloc 实现的情况下要解决这个问题更困难，成本更高；把线程支持和垃圾收集都构建进平台促进了这类协作。）
　　
　　堆栈分配
　　
　　C++ 向程序员提供了在堆或堆栈中分配对象的选择。基于堆栈的分配更有效：分配更便宜，回收成本真正为零，而且语言提供了隔离对象生命周期的帮助，减少了忘记释放对象的风险。另一方面，在 C++ 中，在发布或共享基于堆栈的对象的引用时，必须非常小心，因为在堆栈帧整理时，基于堆栈的对象会被自动释放，从而造成孤悬的指针。
　　
　　基于堆栈的分配的另一个优势是它对高速缓存更加友好。在现代的处理器上，缓存遗漏的成本非常显著，所以假如语言和运行时能够帮助程序实现更好的数据位置，就会提高性能。堆栈的顶部通常在高速缓存中是“热”的，而堆的顶部通常是“冷”的（因为从这部分内存使用之后可能过了很长时间）。所以，在堆上分配对象，比起在堆栈上分配对象，会带来更多缓存遗漏。
　　
　　更糟的是，在堆上分配对象时，缓存遗漏还有一个非凡讨厌的内存交互。在从堆中分配内存时，不管上次使用内存之后留下了什么内容，内存中的内容都被当作垃圾。假如在堆的顶部分配的内存块不在缓存中，执行会在内存内容装入缓存的过程中出现延迟。然后，还要用 0 或其他初始值覆盖掉刚刚费时费力装入缓存的那些值，从而造成大量内存活动的浪费。（有些处理器，例如 Azul 的 Vega，包含加速堆分配的硬件支持。）
　　
　　escape 分析
　　
　　Java 语句没有提供任何明确地在堆栈上分配对象的方式，但是这个事实并不影响 JVM 仍然可以在适当的地方使用堆栈分配。JVM 可以使用叫作 escape 分析的技术，通过这项技术，JVM 可以发现某些对象在它们的整个生命周期中都限制在单一线程内，还会发现这个生命周期绑定到指定堆栈帧的生命周期上。这样的对象可以安全地在堆栈上而不是在堆上分配。更好的是，对于小型对象，JVM 可以把分配工作完全优化掉，只把对象的字段放入寄存器。
　　
　　清单 2 显示了一个可以用 escape 分析把堆分配优化掉的示例。Component.getLocation() 方法对组件的位置做了一个保护性的拷贝，这样调用者就无法在不经意间改变组件的实际位置。先调用 getDistanceFrom() 得到另一个组件的位置，其中包括对象的分配，然后用 getLocation() 返回的 Point 的 x 和 y 字段计算两个组件之间的距离。
　　
　　清单 2. 返回复合值的典型的保护性拷贝方式
　　
　　public class Point {
　　PRivate int x, y;
　　public Point(int x, int y) {
　　this.x = x; this.y = y;
　　}
　　public Point(Point p) { this(p.x, p.y); }
　　public int getX() { return x; }
　　public int getY() { return y; }
　　}
　　
　　public class Component {
　　private Point location;
　　public Point getLocation() { return new Point(location); }
　　
　　public double getDistanceFrom(Component other) {
　　Point otherLocation = other.getLocation();
　　int deltaX = otherLocation.getX() - location.getX();
　　int deltaY = otherLocation.getY() - location.getY();
　　return Math.sqrt(deltaX*deltaX + deltaY*deltaY);
　　}
　　}
　　
　　getLocation() 方法不知道它的调用者要如何处理它返回的 Point；有可能得到一个指向 Point 的引用，比如把它放在集合中，所以 getLocation() 采用了保护性的编码方式。但是，在这个示例中，getDistanceFrom() 并不会这么做，它只会使用 Point 很短的时间，然后释放它，这看起来像是对完美对象的浪费。
　　
　　聪明的 JVM 会看出将要进行的工作，并把保护性拷贝的分配优化掉。首先，对 getLocation() 的调用会变成内联的，对 getX() 和 getY() 的调用也同样处理，从而导致 getDistanceFrom() 的表现会像清单 3 一样有效。
　　
　　清单 3. 伪代码描述了把内联优化应用到 getDistanceFrom() 的结果
　　
　　public double getDistanceFrom(Component other) {
　　Point otherLocation = new Point(other.x, other.y);
　　int deltaX = otherLocation.x - location.x;
　　int deltaY = otherLocation.y - location.y;
　　return Math.sqrt(deltaX*deltaX + deltaY*deltaY);
　　}
　　
　　在这一点上，escape 分析可以显示在第一行分配的对象永远不会脱离它的基本块，而 getDistanceFrom() 也永远不会修改 other 组件的状态。（escape 指的是对象引用没有保存到堆中，或者传递给可能保留一份拷贝的未知代码。）假如 Point 真的是线程本地的，而且也清楚它的生命周期限制在分配它的基本块内，那么它既可以进行堆栈分配，也可以完全优化掉，如清单 4 所示。
　　
　　清单 4. 伪代码描述了从 getDistanceFrom() 优化掉分配后的结果
　　
　　public double getDistanceFrom(Component other) {<

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