修改机器码的重要性—修改机器码软件好使吗
JIT（Just In Time）技术是Java虚拟机中的一项重要技术，其在运行时将字节码编译为机器码，以大幅提升程序的执行速度。
正是因为JVM中使用了JIT技术，才为Java代码在运行时的性能可能超过C++提供了基础。
一般情况下，我们所产出的代码，很大层面上需要保障代码的可读性，而这里的可读性是针对于编码人员的，而非针对于机器。具备高可读性的代码，通常并不意味着其可以高效地被机器直接执行，而通常情况下刚好相反。
此处，我们针对JIT中一些常用的优化手段，来理解为何Java代码的执行效率可以如此之高。
经过JIT优化的代码的执行效率提升，很大层面上是因为JIT对指令进行了重新的排列。指令重排在保证代码逻辑不变的情况下，对代码的执行顺序进行了调整，从而提升了代码的执行效率。
为了理解指令重排，我们需要首先了解JVM所支持的指令是什么样子的。
对于已经编译完成的一个方法，存在三个重要的组成部分：
- 本地变量表：用以保存方法的入参及声明的局部变量。
- 操作数栈：用以存储运行的中间结果。
- 指令集：即编译完成后的代码，也可能称为字节码。
Java指令在JVM规范中有详细的描述，对应版本的JVM都会拥有一份JVM规范的文档，这些文档被收录在Oracle的官网中：
在对应文档的“The Java Machine Instruction Set”章节中，有对各种执行的详细介绍，此处我们不过多赘述，而是简单讨论一下指令的行为。
JVM所支持的指令，从行为中可分为四类：
- 从本地变量表或常量池中取出一个值，并将其压入到操作数栈中。如aload_0，将本地变量表中索引为0的值压入到操作数栈中。
- 从操作数栈中取出操作数进行计算，并将操作结果重新压入到操作数栈中。如iadd，从操作数栈中取出两个32位整数，并将其相加得到的和重新压入到操作数栈中。
- 从操作数栈中取出值并写入到本地变量表中。如astore_0，从操作数栈中取出一个值，并将其写入到本地变量表中索引为0的位置。
- 用于控制程序跳转。如if_icmpeq、lookupswitch、tableswitch等。
此处我们着重了解前三类指令，首先看示例代码：
我们将这段代码编译成为class文件，并通过javap命令查看编译后的结果。
输出的结果如下：
这里我们只关注最后public int compute(int, int)方法中的指令：
我们可以看到，在源代码中的两行代码，编译完成后得到了8条指令，这8条指令是完全按照源代码的意图进行直译的。
而在实际执行中，JVM会对指令进行简化，简化后的指令：
我们可以看到，指令从8条被精简到了6条，其中针对操作数栈顶的值的读取和写入（即istore_3和iload_3）被合并，从而减少了不必要的操作。
那么此时，我们就可以理解指令重排的意义。
在编码过程中，从提高代码可读性的角度考虑，我们会将含义、目的将近的变量放到一起声明和初始化，并在后续操作中，按更容易理解的业务语义来对其进行批量操作，但是这个时候，可能会导致很多无效的读取和写入操作。为了合并掉这些操作，JVM在逻辑不变的前提下，对指令进行重排，从而使得更多的指令被合并，减少同一代码执行时所需的指令数量。
而指令重排所带来的好处是显而易见的，如果指令的数量被降低10%，那么性能将是实打实地提升10%。
逃逸分析是在Java6中引入的新特性，其与标量替换共同完成运行时的优化。
逃逸分析用来判断在一个方法中所实例化的对象，是否在方法外被使用。如果对象在方法外被使用，则表示这个对象发生了“**逃逸**”，否则视作未发生“**逃逸**”。而对于未发生逃逸的对象，则可通过栈上分配技术，直接在方法栈中为对象分配内存。进而通过**标量替换**技术，将变量中的字段打散到方法的本地变量表中，后续对于对象中字段的操作，就直接操作这些本地变量，此时这个对象就不见了，取而代之的是表示其所包含字段的本地变量。
标量是不可再被细分的值，如32位整数、布尔值、字符串等。标量不仅局限于基本数据类型。
此优化所带来的好处有：
- 因为不再需要实例化对象，因此减少了堆内存的使用，降低了垃圾回收的压力，更多的内存可随着方法栈的销毁而直接被释放。
- 锁消除，因为对象不会发生逃逸，因此对象的作用域仅在方法执行过程中，因此其是不会发生线程同步的。此时无效的对于同步锁的操作将被消除掉，提升执行效率。
- 替换为标量的值，在方法逻辑执行过程中，可以参与到指令重排中，从而进一步优化性能。
因此，对于以下代码：
在进行标量替换后，其实际的逻辑将近似地被优化为：
以上仅是一个示意，当然，此间还涉及到一些其他的优化手段，比如内联等。
内联的概念比较容易理解，即是将一个方法的逻辑直接打平打调用方的代码中。例如：
在内联后即成为：
内联的好处有很多，例如降低代码的实际调用层次等。但是相比于其直接产生的收益，其间接收益则更大。内联是将各种优化手段有效衔接起来的重要手段。例如，逃逸分析的重要依据是对象是否在方法外被使用，如果我们将一个对象传入到一个方法中，例如对其字段进行校验等，那么这个对象就发生了逃逸，不能应用栈上分配、标量替换等优化手段，更进一步也就无法更好地进行指令重排。
而内联则有效地解决了这个问题，在实际代码运行过程中，内联无处不在，通常几层、十几层的调用栈，都会被内联到一个方法中。
那么，什么样的方法可以被内联呢？
简单来说，稳定的方法可以被内联。即当一个方法调用另一个方法时，如果另一个方法的逻辑不会发生变化，那么这个方法就可以被内联到调用方的方法中。例如final方法、private方法等。
但是因为内联的优化手段实在过于重要，因此JVM后期对内联再次进行了增强，也就是所说的激进优化。这里的激进优化主要在于可能发生变化的方法，如通过接口调用一个实现时。
一般情况下，当我们通过接口调用一个方法时，我们并不能确定最终调用的是接口的哪个实现。当对这个接口方法的调用成为热点，且目标方法不曾发生改变时，将尝试对这个被调用的方法进行内联，如果后续调用的目标方法发生变化，则会进行优化回退。优化回退的成本相对是很高的，因为一般情况下，代码将被回退到所有优化发生之前的状态。
这里所说的激进优化，与JVM参数中的AggressiveOpts是不同的，AggressiveOpts参数的开启表示将启用当前JVM版本中还不成熟的优化手段。
那么，激进优化的意义何在和？
一般情况下，在编码过程中，需要考虑到诸如并行开发、接口分离原则等诸多方面，会使我们的代码在设计层面被拆分成为不同的组件，而大多情况下，这些用作分离的接口通常只有一个实现（默认实现），这就为激进优化带来的底层的逻辑支撑。
JVM中还存在诸多的优化手段，如分支消除、反射优化等。但是总体而言，**JIT的优化主要依据在于热点代码判断，最重要的手段在于方法内联**。因此当我们进行代码设计时，首要应考虑代码的内联属性。如果组件的代码是更容易被内联的，通常情况下，其所带来的效率将会更高。基于此，可以总结一些有效的代码设计方法：
- 多抽取工具方法。工具方法的抽取除了代码更好的可靠性外，也更便于内联的发生，并不会带来额外的调用栈开销。
- 明确扩展点。在进行类设计时，对于哪些方法是需要多态的应该有明确的规划，对于不需要多态的方法应明确使用final进行封闭。
- 单纯的没有多态的接口分离是不会带来额外的性能损耗的，因为这些方法最终会被内联掉。
