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JVM详解之:HotSpot VM中的Intrinsic methods
2020-07-30 10:23:14

简介

内置方法是什么呢?它和inline method有什么关系呢?内置方法是怎么实现的呢?所有的问题都可以在本文找到答案。

什么是Intrinsic Methods

什么是内置方法呢?


维基百科给出的定义是这样的:


在计算机软件中,按照编译器理论,固有方法(或内置方法)是可在给定编程语言中使用的方法,该编程语言的实现由编译器专门处理。通常,它可以将自动生成的指令序列替换为原始方法调用,类似于内联方法。与内联方法不同,编译器对内置方法有深入的了解,因此可以针对给定情况更好地集成和优化它。


实现内置方法的编译器通常仅在程序请求优化时才启用它们,否则会退回到语言运行时环境提供的默认实现。


所以总结一下,内置方法就是编译器内置的方法实现。

内置方法的特点

内置方法有什么特点呢?我们在这里总结一下。

01

多样性

因为内置方法是在编译器内部实现的,所以不同的虚拟机,其内置方法是不一样的。


我们不能直接说哪个方法是内置方法,因为不同的JVM是不同的。

02

兼容性

内置方法是在需要的时候才会使用的,如果在不需要的时候则会回退到普通的方法实现,也就是java代码的实现。


所以在java源代码级别来看,内置方法和非内置方法是一样的。他们的区别在于JVM的实现。

03

java语义的扩展

有些方法用普通的java代码是无法实现的。比如

sun.misc.Unsafe.compareAndSwapInt()



我们只能使用JNI或者内置方法来对其实现。所以内置方法可以实现对java语义的扩展。


一般来说,JDK和核心库中,能使用内置方法优化都已经优化了。所以我们在平时的代码调用中,一定要尽可能的使用JDK的公共API和核心库,这样才能充分利用内置方法的特性,从而提升程序效率。

Hotspot VM中的内置方法

那么对于Hotspot VM来说,内置的方法有哪些呢?


Hotspot VM中所有的内置方法都在src/share/vm/classfile/vmSymbols.hpp类中:


上图我只截取了部分标记为intrinsic方法的类的说明。


可以看到java.lang.Math中大部分的方法都是intrinsic的方法。


怎么查看我们代码中调用的方法是不是intrinsic方法呢?


很简单,在java命令之前加上这些参数即可:

-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions  -XX:+PrintCompilation -XX:+PrintInlining

举个最常用的查看java版本的例子:


java  -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions  -XX:+PrintCompilation -XX:+PrintInlining  version

看下输出结果:


从结果可以很清楚的看到,java.lang.System.arraycopy方法是内置方法。


另外我们可以通过更加底层的汇编语言来查看,再添加

-XX:+PrintAssembly

我们看下输出结果:


invokestatic意味着该方法就是intrinsified方法。

intrinsic方法和内联方法

内联方法就是把调用方函数代码”复制”到调用方函数中,减少因函数调用开销的技术。


intrinsic方法大部分都是内联方法。

intrinsic方法的实现

前面我们提到了内置方法是在编译器实现的。


在Hotspot VM中其实有3中编译器。


第一种就是javac将java源代码编译成为字节码。


在这一层,只有一些math方法和bootstrapping的MethodHandle是在这一层实现的。


第二种就是在JIT的Client Compiler (C1)。


第三种就是在JIT的Server Compiler (C2)。


举一个例子,我们看一下java.lang.System.currentTimeMillis()方法:

@HotSpotIntrinsicCandidate    public static native long currentTimeMillis();


JDK源码使用了HotSpotIntrinsicCandidate注解。这个注解只是表示该方法可能会被用于Intrinsic,而并不意味着一定使用Intrinsic。


这个方法在Interpreter级别是没有intrinsified。因为这是一个native方法,所以会通过JNI调用底层的C++实现。


而在C1和C2级别,会使用intrinsified, 直接调用os::javaTimeMillis()。


好处就是减少了JNI的使用,提升效率。


好了问题来了,我们可以自己实现intrinsified方法吗?


答案是可以,不过需要修改底层的JVM实现。


这里有两个具体的例子,感兴趣的大家可以自行研究。


C1级别修改(First cut: C1 Class.isInstance intrinsic):

https://gist.github.com/rednaxelafx/2830194


C2级别修改(Example (XS) of adding an intrinsic method to HotSpot C2. Patch against HS20-b12):

https://gist.github.com/rednaxelafx/1986224



Graal

因为Hotspot VM是用C++编写的,如果要添加Intrinsic方法,对于那些不熟悉C++的朋友来说就太难了。


没关系,Oracle开发了一个项目叫做Graal。

 Graal是一个用java编写的新款JIT编译器。


Graal是基于Java的JIT编译器,是JDK 9中引入的实验性Ahead-of-Time(AOT)编译器的基础。


开启Graal的参数:

-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler

通过Graal,我们可以用java来实现Intrinsic方法,想想就让人兴奋。

总结

Intrinsic方法是一个非常有用的特性,希望大家能够喜欢。

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程序那些事
创建时间:2020-06-17 07:11:38
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