25 | 循环优化

郑雨迪



该思维导图由 AI 生成，仅供参考

在许多应用程序中，循环都扮演着非常重要的角色。为了提升循环的运行效率，研发编译器的工程师提出了不少面向循环的编译优化方式，如循环无关代码外提，循环展开等。
今天，我们便来了解一下，Java 虚拟机中的即时编译器都应用了哪些面向循环的编译优化。
循环无关代码外提所谓的循环无关代码（Loop-invariant Code），指的是循环中值不变的表达式。如果能够在不改变程序语义的情况下，将这些循环无关代码提出循环之外，那么程序便可以避免重复执行这些表达式，从而达到性能提升的效果。
int foo(int x, int y, int[] a) {
  int sum = 0;
  for (int i = 0; i < a.length; i++) {
    sum += x * y + a[i];
  }
  return sum;
}
// 对应的字节码
int foo(int, int, int[]);
  Code:
     0: iconst_0
     1: istore 4
     3: iconst_0
     4: istore 5
     6: goto 25
// 循环体开始
     9: iload 4        // load sum
    11: iload_1        // load x
    12: iload_2        // load y
    13: imul           // x*y
    14: aload_3        // load a
    15: iload 5        // load i
    17: iaload         // a[i]
    18: iadd           // x*y + a[i]
    19: iadd           // sum + (x*y + a[i])
    20: istore 4       // sum = sum + (x*y + a[i])
    22: iinc 5, 1      // i++
    25: iload 5        // load i
    27: aload_3        // load a
    28: arraylength    // a.length
    29: if_icmplt 9    // i < a.length
// 循环体结束
    32: iload 4
    34: ireturn
举个例子，在上面这段代码中，循环体中的表达式x*y，以及循环判断条件中的a.length均属于循环不变代码。前者是一个整数乘法运算，而后者则是内存访问操作，读取数组对象a的长度。（数组的长度存放于数组对象的对象头中，可通过 arraylength 指令来访问。）
理想情况下，上面这段代码经过循环无关代码外提之后，等同于下面这一手工优化版本。
int fooManualOpt(int x, int y, int[] a) {
  int sum = 0;
  int t0 = x * y;
  int t1 = a.length;
  for (int i = 0; i < t1; i++) {
    sum += t0 + a[i];
  }
  return sum;
}
我们可以看到，无论是乘法运算x*y，还是内存访问a.length，现在都在循环之前完成。原本循环中需要执行这两个表达式的地方，现在直接使用循环之前这两个表达式的执行结果。

公开

同步至部落

取消

完成

0/2000

荧光笔

直线

曲线

笔记

复制

AI

深入了解
翻译
英语
中文简体
中文繁体
法语
德语
日语
韩语
俄语
西班牙语
阿拉伯语
解释
总结

即时编译器中的循环优化是提升性能的重要手段。本文介绍了Java虚拟机中的循环优化技术，包括循环无关代码外提、循环展开、循环判断外提和循环剥离。循环无关代码外提通过提取循环中不变的表达式，避免重复计算以提升性能。循环展开通过重复多次循环迭代并减少循环次数来优化代码。循环判断外提将循环中的if语句提出至循环之前，以优化执行路径。循环剥离则是将循环的前几个或后几个迭代剥离出循环，以触发进一步优化。文章还提到了循环展开的特殊情况——完全展开，以及循环优化的实践案例。总的来说，本文深入介绍了即时编译器中的循环优化技术，对于理解编译器优化和性能提升具有一定的参考价值。

仅可试看部分内容，如需阅读全部内容，请付费购买文章所属专栏
《深入拆解 Java 虚拟机》，新⼈⾸单¥59

立即购买

登录后留言

全部留言(14)

最新
精选

钱
现在浏览器终于也可以写留言了，非常好！希望能将和老师相互的讨论的功能也开开，否则，不能进行对话，讲某些问题的效果不太好！循环优化，站在编译器的角度来作出的优化动作，老师介绍了几种方式，经过听讲，我感觉万变不离其宗，优化的核心关键点还是少做一些事情，当然，事情少做了，作用不能减！ 1：循环无关码外提——将循环内的某些无关代码外移，减少某些程序的反复执行 2：循环展开——减少循环条件的判断，针对循环次数少的循环 3：循环判断外提——减少每次循环的都进行判断次数 4：循环剥离——将不通用的处理起来稍微费劲一些的动作，放在循环外处理总之，要做减法！性能优化的核心点： 1：让做的快的做 2：如果不能实现，则让做的快的做多一点，做的慢的少做一些 3：取巧，事情少做了，但是目的依旧能够达到
作者回复: 对的。在程序语义不改变的情况下，编译器会尽可能地减少生成代码的工作量。
2018-09-17

29
Geek_488a8e
这些都是DSP代码典型的优化方法，目的是防止打断CPU的指令流水，提高指令处理的并行度
作者回复: Good to know
2018-09-19
3
23
Len
老师，如果有这样一段代码： for( ... ) { sum += x + y + a[i]; } 借助 Sea-of-Nodes IR 能把「x + y」表达式外提出去。但，如果表达式变成如下： sum += x + a[i] + y; 也能借助 IR 外提「x + y」吗？
作者回复: 赞想法！会的。
2018-09-18

14
一个坏人
是不是写应用系统的时候没必要按照优化方式写，编译器反正会优化？！
作者回复: 很多情况下是的。但也要考虑编译器没有预算来做优化的情况(比如循环太大)。一般来说，应用代码更应注重可读性。
2018-09-17

6
Scott
这样展开后有一个强度削弱的机会，四个byte的赋值合并成一个int？
作者回复: 对的！不叫强度削弱，叫向量化，下一篇讲
2018-09-17

3
饭粒
有点像小学四则运算里运用提公因式法等技巧来使计算简单。
作者回复: 哈哈，确实像
2019-12-25

2
Leon Wong
请问老师，实践环节的循环展开后的数组越界，编译器是怎么处理的？是不是当length小于4，循环完全展开就可以了，实际上这个展开有一个隐含的假定，即length大于4的情况。
作者回复: 对的，如果是常量长度，而且小于4，那么完全展开就行了。
2018-10-07


白三岁
实践环节的代码，由于i++相应的变成了i+4。前面的判断条件dst.length就不应该减4了吧。
作者回复: 观察到位！这个主要是为了避免访问越界。你可以假定length为3，再看看这段代码。
2018-09-28


无言的约定
for (int i = INIT; i < LIMIT; i += STRIDE) { if (i < 0 || i >= a.length) { // range check throw new ArrayIndexOutOfBoundsException(); } sum += a[i]; } ---------- // 经过下标范围检测外提之后： if (INIT < 0 || IMAX >= a.length) { // IMAX 是 i 所能达到的最大值，注意它不一定是 LIMIT-1 detopimize(); // never returns } for (int i = INIT; i < LIMIT; i += STRIDE) { sum += a[i]; // 不包含下标范围检测 } 老师，这个IMAX该如何初始化？
2019-10-12

1
天之蓝
请教两个问题，循环展开那个例子如果64是65是不是就越界了？实践的代码如果length为6按条件只会循环一次那下标为4、5的不就执行不到了吗？
2018-11-28

1

收起评论