Java 之逃逸分析

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一般情况下，Java 源代码需要经过前端编译器（比如 javac）编译成 class 文件，然后再通过解释器解释执行。但是对于一些热点代码（频繁调用的方法或代码块），虚拟机为了提高它们的执行效率，会在运行期将这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，完成这个任务的编译器就是即时编译器（Just In Time Compiler，JIT），比如 HotSpot 中的 C1、C2 编译器。

在 JIT 进行优化的过程中，逃逸分析为这些优化手段提供了重要的依据。逃逸分析的基本行为就是分析对象的动态作用域，当一个对象在方法中被定义后，它可能被外部方法所引用，比如作为调用参数传递到其他方法中，称为方法逃逸。有的还有可能被外部线程访问到，比如赋值给类变量或者其他线程中的实例变量，这种被称为线程逃逸。

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public class EscapeDemo {

    public static StringBuffer globalVariable;

    public StringBuffer instanceVariable;

    public void globalVariableEscape() {
        // 给静态变量赋值后，对象外部可见，发生了逃逸
        globalVariable = new StringBuffer();
    }

    public void instanceVariableEscape() {
        // 给成员变量赋值，对象外部可见，发生了逃逸
        instanceVariable = new StringBuffer();
    }

    public StringBuffer returnEscape() {
        // 对象返回，外部可见，因此发生了逃逸
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append("return");
        return sb;
    }

    public String noEscape() {
        // 对象在方法中创建，对象的引用没有传递到外界，因此没有发生逃逸
        StringBuffer sb = new StringBuffer();
        sb.append("noEscape");
        return sb.toString();
    }
}

我们知道，栈帧是线程私有的。每个方法在执行时都会创建一个栈帧用来存储局部变量表、操作数栈等信息，每个方法从调用到结束的过程，就是一个栈帧在虚拟机从入栈到出栈的过程。方法的参数以及在方法中定义的变量都是局部变量，基本类型的变量存放的是对应类型的值，而引用类型的变量存放的则是对象的引用，也就是地址值，对象本身会在堆中分配。因此，如果局部变量是一个引用类型的变量，那么只要它的引用被传递到了外界，就有可能引发线程安全问题。如果能够证明一个对象不会逃逸到方法或者线程之外，也就是别的方法或者线程无法通过任何途径访问到这个对象，那么就可以对这个变量进行一些高效的优化，比如栈上分配、同步消除、标量替换等。

Java 堆上分配对象的内存空间已经成为常识，堆中的对象对于各个线程都是共享和可见的，只要持有这个对象的引用，就可以访问堆中存储的这个对象的数据。虚拟机的垃圾收集可以回收堆中不再使用的对象，但是无论是筛选可回收对象还是回收、整理内存都需要耗费时间。如果确定一个对象不会逃逸到方法之外，那么就可以让这个对象在栈上分配内存，对象所占用的内存空间就可以随着栈帧出栈而销毁。

线程同步本身是一个相对耗时的过程，如果逃逸分析能够确定一个变量不会逃逸到当前线程之外，无法被其他线程访问到，那么这个变量的读写肯定不会存在竞争，那么对该变量实施的同步就可以消除掉，也就是锁消除。

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public String lock_elision() {
    // 如果开启了逃逸分析，那么会进行锁消除
    StringBuffer sb = new StringBuffer();
    sb.append("lock elision");
    return sb.toString();
}

Java 虚拟机中的原始数据类型（int、long、reference 等）都是标量（无法再分解成更小的数据来表示）。相对的，如果一个数据可以继续分解，那么它就称作聚合量。Java 中最典型的聚合量就是对象。如果将一个对象拆散，根据程序访问的情况，将其使用到的成员变量恢复成原始类型来访问，这就是标量替换。如果逃逸分析证明一个对象不会被外部访问到，并且这个对象可以拆分，那么程序在真正执行的时候可能并不会创建该对象，而是改为直接创建它的若干个被这个方法使用到的成员变量来替代。将对象拆分后，除了可以让对象的成员变量在栈上分配和读写之外，还可以为后续的进一步优化创造条件。

参考

《深入理解 Java 虚拟机:JVM 高级特性与最佳实践》