JVM性能優化（五）源碼圖解jvm字節碼

一、前言

前面我們通過tomcat本身的參數以及jvm的參數對tomcat做了優化，詳情查看：tomcat優化，其實要想將應用程序跑的更快，效率更高，除了對tomcat容器以及jvm優化外，應用程序代碼本身如果寫的效率不高的，那麼也是不行的，所以對於程序本身的優化也就很重要了。

對於程序本身的優化，可以借鑑很多前輩的經驗，但是有些時候，在從源碼角度分析的話，不好鑑別出哪個效率高，如對字符串拼接的操作，是直接“+”號拼接效率高還是使用StringBuilder效率高呢？

這個時候，就需要通過查看編譯好的class文件中的字節碼，就可以找到答案。

我們都知道，java編寫應用，需要先通過javac命令編譯成class文件，在通過jvm執行，jvm執行時是需要將class文件中的字節碼載入到jvm進行運行的

二、通過javap命令查看class文件的字節碼內容

首先，看一下簡單的Test類的代碼：

public class Test {
	
		public static void main(String[] args) {
			int a = 2;
			int b = 5;
			int c = b - a;
			System.out.println(c);
		}
	 
}

通過javap命令查看class文件中的字節碼內容：
javap -v Test.class > Test.txt

用法: javap <options> <classes>
其中, 可能的選項包括:
  -help  --help  -?        輸出此用法消息
  -version                 版本信息
  -v  -verbose             輸出附加信息
  -l                       輸出行號和本地變量表
  -public                  僅顯示公共類和成員
  -protected               顯示受保護的/公共類和成員
  -package                 顯示程序包/受保護的/公共類
                           和成員 (默認)
  -p  -private             顯示所有類和成員
  -c                       對代碼進行反彙編
  -s                       輸出內部類型簽名
  -sysinfo                 顯示正在處理的類的
                           系統信息 (路徑, 大小, 日期, MD5 散列)
  -constants               顯示最終常量
  -classpath <path>        指定查找用戶類文件的位置
  -cp <path>               指定查找用戶類文件的位置
  -bootclasspath <path>    覆蓋引導類文件的位置

當我們運行javap命令後會得到一個Test.txt的文件
內容如下：

#  顯示生成這個class的java源文件、版本信息、生成時間等
Classfile /F:/project/test/target/classes/com/lyy/Test.class
  Last modified 2020-5-7; size 562 bytes
  MD5 checksum 58100edcdfebfd9769cdbb1b634baf3c
  Compiled from "Test.java"
public class com.lyy.Test
  minor version: 0
  major version: 49
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
 # 顯示了該類中所涉及的常量池，共35個常量
Constant pool:
   #1 = Class              #2             // com/lyy/Test
   #2 = Utf8               com/lyy/Test
   #3 = Class              #4             // java/lang/Object
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Utf8               <init>
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = Utf8               Code
   #8 = Methodref          #3.#9          // java/lang/Object."<init>":()V
   #9 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/lyy/Test;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Fieldref           #17.#19        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Class              #18            // java/lang/System
  #18 = Utf8               java/lang/System
  #19 = NameAndType        #20:#21        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #20 = Utf8               out
  #21 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #22 = Methodref          #23.#25        // java/io/PrintStream.println:(I)V
  #23 = Class              #24            // java/io/PrintStream
  #24 = Utf8               java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #26:#27        // println:(I)V
  #26 = Utf8               println
  #27 = Utf8               (I)V
  #28 = Utf8               args
  #29 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #30 = Utf8               a
  #31 = Utf8               I
  #32 = Utf8               b
  #33 = Utf8               c
  #34 = Utf8               SourceFile
  #35 = Utf8               Test.java
 #顯示該類的構造器，編譯器自動插入的
{
  public com.lyy.Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #8                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/lyy/Test;
            
# 顯示了main方的信息（這個是我們需要重點關注的）
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2
         1: istore_1
         2: iconst_5
         3: istore_2
         4: iload_2
         5: iload_1
         6: isub
         7: istore_3
         8: getstatic     #16                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        11: iload_3
        12: invokevirtual #22                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        15: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 4
        line 9: 8
        line 10: 15
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  args   [Ljava/lang/String;
            2      14     1     a   I
            4      12     2     b   I
            8       8     3     c   I
}
SourceFile: "Test.java"

生成的內容雖然看上去很多，但是總體來說，大致分爲4個部分：

第一部分： 顯示生成這個class的java源文件、版本信息、生成時間等
第二部分： 顯示了該類中所涉及的常量池，共35個常量
第三部分： 顯示該類的構造器，編譯器自動插入的
第四部分： 顯示了main方的信息（這個是我們需要重點關注的）

這麼看的話我們是很難看懂裏面的內容說的是什麼的，我們需要對裏面的參數一一作出說明，請往下看。

三、常量池

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.4-140

Constant Type	Value	說明
CONSTANT_Class	7	類或接口的符號引用
CONSTANT_Fieldref	9	字段的符號引用
CONSTANT_Methodref	10	類中方法的符號引用
CONSTANT_InterfaceMethodref	11	接口中方法的符號引用
CONSTANT_String	8	字符串類型常量
CONSTANT_Integer	3	整形常量
CONSTANT_Float	4	浮點型常量
CONSTANT_Long	5	長整型常量
CONSTANT_Double	6	雙精度浮點型常量
CONSTANT_NameAndType	12	字段或方法的符號引用
CONSTANT_Utf8	1	UTF-8編碼的字符串
CONSTANT_MethodHandle	15	表示方法句柄
CONSTANT_MethodType	16	標誌方法類型
CONSTANT_InvokeDynamic	18	表示一個動態方法調用點

四、描述符

4.1 字段描述符

api文檔：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html#jvms-4.3.2

術語	類型	描述
B	byte	signed byte
C	char	Unicode character code point in the Basic Multilingual Plane, encoded with UTF-16
D	double	double-precision floating-point value
F	float	single-precision floating-point value
I	int	integer
J	long	long integer
L	ClassName ;	reference an instance of class ClassName
S	short	signed short
Z	boolean	true or false
[	reference	one array dimension

4.1 方法描述符

示例：

方法的方法描述符：

4.2 解讀方法字節碼

 public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V	//方法描述，V表示該方法的返回值爲void
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC	//方法修飾符,public、static的
    Code:
	//stack=2 操作棧的大小爲0
	//locals=4 本地變量表大小
	//args_size=1 參數的個數
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: iconst_2	//將數字2值壓入操作棧，位於棧的最上面
         1: istore_1	//從操作棧中彈出一個元素（數字2），放入到本地變量表中，位於下標爲1的位置（下標爲0的是this）
         2: iconst_5	//將數字5值壓入操作棧，位於棧的最上面
         3: istore_2	//從操作棧中彈出一個元素（5），放入本地變量表中，位於第下標爲2個位置
         4: iload_2	//將本地變量表中下標爲2的位置壓入操作棧（5）
         5: iload_1	//將本地變量表中下標爲1的位置壓入操作棧（2）
         6: isub	//操作棧中的2個數字相減
         7: istore_3	//將相減的結果壓入到本地變量表中，位於下標爲3的位置
	//通過#16號找到對應的常量，即可找到對應的引用
         8: getstatic     #16                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        11: iload_3	//將本地變量表中下標爲3的位置元素壓入操作棧（3）
	// 通過#22找到對應的常量，即可找到對應的引用，進行方法調用
        12: invokevirtual #22                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        15: return	//返回
      LineNumberTable:	//行號的列表
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 4
        line 9: 8
        line 10: 15
      LocalVariableTable:	//本地變量表
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      16     0  args   [Ljava/lang/String;
            2      14     1     a   I
            4      12     2     b   I
            8       8     3     c   I
}
SourceFile: "Test.java"

4.3 圖解方法字節碼：

int a = 2：

int b = 5：

int c = b - a：

五、i++ 與 i++ 的不同

我們都知道，i++表示，先返回再+1，++i表示，先+1再返回，那麼它的底層是怎麼樣的呢？我們一起來探究一下

測試代碼：

public static void main(String[] args) {
			new Test2().method1();
			new Test2().method2();
		}
		
		public void method1(){
			int i = 1;
			int a = i++;
			System.out.println(a);
		}
		
		public void method2(){
			int i = 1;
			int a = ++i;
			System.out.println(a);
		}

5.1 查看 class字節碼

通過命令 javap -v Test2.class > Test2.txt，查看class字節碼

  public void method1();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iload_1
         3: iinc          1, 1
         6: istore_2
         7: getstatic     #25                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        10: iload_2
        11: invokevirtual #31                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        14: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0
        line 12: 2
        line 13: 7
        line 14: 14
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      15     0  this   Lcom/lyy/Test2;
            2      13     1     i   I
            7       8     2     a   I

  public void method2();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: iconst_1
         1: istore_1
         2: iinc          1, 1
         5: iload_1
         6: istore_2
         7: getstatic     #25                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        10: iload_2
        11: invokevirtual #31                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        14: return
      LineNumberTable:
        line 17: 0
        line 18: 2
        line 19: 7
        line 20: 14
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      15     0  this   Lcom/lyy/Test2;
            2      13     1     i   I
            7       8     2     a   I
}
SourceFile: "Test2.java"

5.2 對比

5.2.1 i++

0: iconst_1	//將數字1壓入操作棧
1: istore_1	//將數字1從操作棧彈出，壓入到本地變量表中，下標爲1
2: iload_1	//從本地變量表中獲取下標爲1的數據，壓入到操作棧中
3: iinc    1, 1	//將本地變量中的1，再+1	
6: istore_2	//將數字1從操作棧中彈出，壓入到本地變量表中，下標爲2
7: getstatic     #25                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
10: iload_2	//從本地變量表中獲取下標爲2的數據，壓入到操作棧中
11: invokevirtual #31                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
14: return

圖解：

i++打印結果：1

5.2.2 ++i

0: iconst_1	//將數字1壓入到操作棧
1: istore_1	//將數字1從操作棧彈出，壓入到本地變量表中，下標爲1
2: iinc          1, 1//將本地變量中的1，再+1
5: iload_1	//從本地變量表中獲取下標爲1的數據（2），壓入到操作棧中
6: istore_2	//將數字2從操作棧彈出，壓入到本地變量表中，下標爲2
7: getstatic     #25                 // Field 
10: iload_2	//從本地變量表中獲取下標爲2的數據（2），壓入到操作棧中
11: invokevirtual #31                 // Method 
14: return

圖解：

5.3 區別

i++
1. 只是在本地變量中對數字做了相加，並沒有將數據壓入操作棧
2. 將前面拿到的數字1，再次從操作棧中拿到，壓入到本地變量中
++i
1. 將本地變量中的數字做了相加，並且將數據壓入到操作棧
2. 將操作棧中的數據，再次壓入到本地變量中

六、代碼優化

優化，不僅僅是在運行環境中進行優化，還需要在代碼本身做優化，如果代碼本身存在性能問題，那麼在其他方面再怎麼優化也不可能達到效果最優的

6.1 儘可能使用局部變量

調用方法時傳遞的參數以及在調用中創建的臨時變量都保存在棧中速度較快，其他變量，如靜態變量，實例變量等，都在堆中創建，速度較慢，另外，棧中創建的變量，隨着方法的運行結束，這些內容就沒了，不需要額外的垃圾回收

6.2 儘量減少對變量的重複計算

for(int i = 0; i< list.size;i++)
{...}

#建議替換爲：

int length = list.size();
for(int i = 0; i< length;i++)
{...}

6.3 異常不應該用來控制程序流程

異常對性能不利，拋出異常首先要創建一個新的對象，Throwable接口的構造函數調用名爲fillInStackTrace()的本地同步方法，fillInStackTrace()方法檢查堆棧，手機調用跟蹤信息，只要有異常被拋出，java虛擬機就必須調整調用堆棧，因爲在處理過程中創建了一個新的對象，異常只能用於錯誤處理，不應該用來控制程序流程

6.4 程序運行過程中避免使用反射

反射是java提供給用戶的一個很強大的功能，功能強大往往意味着效率不高，不建議在程序運行過程中使用尤其是頻繁使用反射機制，特別是Method的invoke方法
如果確實有必要使用，一種建議性的做法就是將那些需要通過反射加載的類在項目啓動的時候通過反射實例化出一個對象並放入內存

6.5 使用數據庫連接池和線程池

這兩個池都是用於重用對象的，前者可以避免頻繁地打開和關閉連接，後者可以避免頻繁的創建和銷燬線程

6.6 ArrayList 隨機遍歷快，LinkedList添加刪除快

七、小結

使用字節碼的方式可以很好的查看代碼底層的執行，從而可以看出那些實現效率高，那些實現效率低，可以更好的對我們代碼做優化，讓程序執行效率更高，今天的內容就到這裏了，感興趣的小夥伴記得關注我，大家加油~

JVM性能優化（五）源碼圖解jvm字節碼

一、前言

二、通過javap命令查看class文件的字節碼內容

三、常量池

四、描述符

4.1 字段描述符

4.1 方法描述符

4.2 解讀方法字節碼

4.3 圖解方法字節碼：

五、i++ 與 i++ 的不同

5.1 查看 class字節碼

5.2 對比

5.2.1 i++

5.2.2 ++i

5.3 區別

六、代碼優化

6.1 儘可能使用局部變量

6.2 儘量減少對變量的重複計算

6.3 異常不應該用來控制程序流程

6.4 程序運行過程中避免使用反射

6.5 使用數據庫連接池和線程池

6.6 ArrayList 隨機遍歷快，LinkedList添加刪除快

七、小結

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