JVM 会优化出未使用的字段吗

编程问答 2022-04-22

问题描述

在优化我的代码时，我试图更多地了解 JVM，并且很好奇它是否（或更具体地以哪些方式）优化了未使用的字段？

我假设如果您在类中有一个从未写入或读取过的字段，则在运行代码时，该字段将不存在于类中。假设你有一个看起来像这样的类：

public class Foo {
    public final int A;
    public final float B;
    private final long[] C = new long[512];
}

并且您只使用了变量 A 和 B，那么您可能会看到初始化、维护和释放变量 C 对于本质上是垃圾数据的内容来说是多么浪费时间。首先，我假设 JVM 会发现这一点是否正确？

现在我的第二个也是更重要的例子是 JVM 是否在这里考虑了继承？比如说 Foo 看起来更像这样：

public class Foo {
    public final int A;
    public final float B;
    private final long[] C = new long[512];

    public long get(int i) {
        return C[i];
    }
}

然后我假设这个类将存储在内存中的某个地方，就像：

[ A:4 | B:4 | C:1024 ]

所以如果我有一个看起来像这样的第二堂课：

public class Bar extends Foo {
    public final long D;
    
    @Override public long get(int i) {
        return i * D;
    }
}

然后突然这意味着字段 C 从未使用过，因此内存中的 Bar 实例将如下所示：

[ A:4 | B:4 | C:1024 | D:8 ] 或 [ A:4 | B:4 | D:8 ]

解决方法

为了证明一个字段是完全未使用的，即不仅直到现在还没有使用，而且在将来也没有使用，仅仅private和声明类未使用是不够的。字段也可以通过反射或类似方式访问。基于此构建的框架甚至可能位于不同的模块中，例如序列化在 java.base 模块内实现。

此外，在对象的垃圾收集是可观察的情况下，例如对于具有非平凡 finalize() 方法或指向对象的弱引用的类，适用其他限制：

JLS §12.6.1.,Implementing Finalization

可以设计优化程序的转换，将可达的对象数量减少到比天真地认为可达的对象数量更少。例如，Java 编译器或代码生成器可能会选择将不再用于 null 的变量或参数设置为 null，从而使此类对象的存储可能更快地被回收。

如果对象字段中的值存储在寄存器中，则会出现另一个例子。然后程序可能会访问寄存器而不是对象，并且永远不会再次访问该对象。这意味着该对象是垃圾。请注意，只有当引用在堆栈上，而不是存储在堆中时，才允许进行这种优化。

本节还给出了一个禁止此类优化的示例：

class Foo {
    private final Object finalizerGuardian = new Object() {
        protected void finalize() throws Throwable {
            /* finalize outer Foo object */
        }
    }
}

规范强调，即使在其他情况下完全未使用，内部对象也不能在外部对象变得无法访问之前完成。

这不适用于没有终结器的 long[] 数组，但它需要进行更多检查，同时降低这种假设优化的通用性。

由于 Java 的典型执行环境允许动态添加新代码，因此无法证明这种优化将保持不可观察。所以答案是，没有这样的优化可以在实践中消除类中未使用的字段。

然而，有一种特殊情况。当优化器正在查看的代码覆盖了对象的整个生命周期时，JVM 可能会优化类的特定用例。这由 Escape Analysis 检查。

当满足前提条件时，可以执行Scalar Replacement，这将消除堆分配并将字段转换为等效的局部变量。一旦您的对象被分解为三个变量 A、B 和 C，它们将受到与局部变量相同的优化。因此，如果它们从未被读取或包含可预测的值，它们最终可能会出现在 CPU 寄存器中而不是 RAM 中，或者被完全消除。

不是在这种情况下，您不必担心继承关系。由于此优化仅适用于跨越对象整个生命周期的代码路径，因此它包括其分配，因此，其确切类型是已知的。并且对对象进行操作的所有方法都必须已经内联。

从那时起，外部对象不再存在，消除未使用的内部对象也不会与上面引用的规范相矛盾。

因此通常没有优化删除未使用的字段，但对于特定的 Foo 或 Bar 实例，它可能会发生。对于这些情况，即使存在可能使用该字段的方法也不会造成问题，因为优化器此时知道它们是否在对象的生命周期内被实际调用。

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