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从 final 能够“提升”程序性能，谈编译优化
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#### 前言

或许你不止一次听说过 fianl 能够提升程序性能，那真的是这样的嘛？

本节先通过讲解主流编译优化的手段，了解完编译优化的思想和内在原理，相信你对这个问题就会做出一个很好的回答。

#### 概述

对于 Java 代码的编译，分为前端编译和后端编译。

前端编译是指通过 Javac 工具，将 Java 代码转化为字节码的过程。既然 Javac 负责字节码的生成，那肯定就会有一些通用的优化手段。比如常量折叠、自动装拆箱、循环遍历、条件编译等。其次，还有使用 StringContactFactory 对 “+” 的重载的统一入口等。

后端编译则是指 JVM 内置的解释器和即时编译器（C1、C2）。

JVM 在对代码执行的优化可以分为运行时优化和即时编译器（JIT）优化。运行时优化主要是解释执行和动态编译通用的一些机制，比如说锁机制（如偏斜锁）、内存分配机制（如 TLAB）等。除此之外，还有一些专门用于优化解释执行效率的，比如说模版解释器、内联缓存（inline cache，用于优化虚方法调用的动态绑定）。

JVM 的即时编译器优化是指将热点代码以方法为单位转换成机器码，直接运行在底层硬件之上。它采用了多种优化方式，包括静态编译器可以使用的如方法内联、逃逸分析，也包括基于程序运行 profile 的投机性优化（speculative/optimistic optimization）。

#### 编译优化

1. 前端编译优化
   - 常量折叠
   - 条件编译
2. 后端编译优化
   - 锁机制
   - 内存分配机制
   - Intrinsic 机制
   - 方法内联
   - 逃逸分析

2. 循环优化
6. 向量化
7. 其他

#### 常量折叠

常量折叠发生在 Javac 的编译过程中的语义分析过程中的标注检查阶段。

```java
String abc = "a" + "b" + "c";
```

以上代码经过常量折叠之后变为：

```java
String abc = "abc";
```

#### 条件编译

```java
    public void show() {
        if (1 + 1 != 2) {
            //do something
        }
    }
```

Java 语言中条件编译的实现，也是 Java 语言的一颗语法糖，根据布尔常量值的真假，编译器会把分支中不成立的代码块消除掉，这一工作将在编译器解语法糖阶段完成。

#### 锁机制

JDK 1.6 对锁的实现引入了大量的优化，包括自旋锁、锁消除、偏向锁，轻量级锁来减少锁操作的开销。

锁主要存在四种状态：依次是无锁状态、偏向锁状态、轻量级锁状态、重量级锁状态。

- 自旋锁和自适应自旋

  在很多应用中，锁定状态只会持续很短的时间，为了这么一点时间就去挂起、恢复线程，不值得。我可以让等待线程执行一定次数的循环，在循环中去获取锁，这就称为自旋锁。它可以节省系统切换线程的消耗，但是仍占用处理器。在之后又引入自适应的自旋锁，不再通过次数来限制，而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

- 偏向锁

  偏向锁的核心思想是，如果一个线程获得了锁，那么锁就进入偏向模式，当这个线程再次请求锁时，无需再做任何同步操作，即可获取锁。

- CAS

#### 内存分配机制

对象优先在 TLAB 上分配内存。在类加载检查通过后，虚拟机将为新生对象分配内存。对象所需内存的大小在类加载完成后便可完全确定，为对象分配内存空间的任务就等同于把一块确定大小的内存从 Java 堆中划分出来。内存分配方式有两种，一种是指针碰撞，一种是空闲列表。

对象创建在虚拟机中是非常频繁的行为，即使是仅仅修改了一个指针所指向的位置，在并发情况下也并不是线程安全的。解决这个问题有两种办法，一种是对内存分配进行同步处理，另外一种就是把内存分配在 TLAB 上，只有 TLAB 用完并分配新的 TLAB 时，才需要同步锁定。

#### Intrinsic 机制

或者叫做内建方法，对应的注解为 HotSpotIntrinsicCandidate，就是针对特别重要的基础方法，JDK 团队直接提供定制的实现，利用汇编或者编译器的中间表达式编写，然后 JVM 会直接在运行时进行替换。

这么做的理由有很多，例如，在不同体系结构的 CPU 在指令等层面存在着差异，定制才能充分发挥出硬件的能力。我们日常使用的典型字符串操作、数组拷贝等基础方法，HotSpot 虚拟机都提供了内建实现。

在 Math 类刚好有这样的一个例子：

```java
    public static void main(String[] args) {

        long startTime = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            int result = Math.max(0, i);
        }
        long endTime = System.nanoTime();
        System.out.println("内建方法执行耗时：");
        System.out.println(endTime - startTime);

        startTime = System.nanoTime();
        for (long i = 0; i < 1000; i++) {
            long result = Math.max(0L, i);
        }
        endTime = System.nanoTime();
        System.out.println("非内建方法执行耗时：");
        System.out.println(endTime - startTime);

    }

内建方法执行耗时：
92170
非内建方法执行耗时：
97459
```

#### 方法内联



#### 循环优化

循环优化有两种：

- 循环无关代码外提
- 循环展开

#### 方法内联

getter/setter 为例。

#### 其他

还有一些优化方式，比如：