Java中的方法内联

1. 什么是方法内联

例如有下面的原始代码：

static class B {

    int value;

    final int get() {

        return value;

    }

}

public void foo() {

    y = b.get();

    // ...do stuff...

    z = b.get();

    sum = y + z;

}

我们首先要进行的就是方法内联，主要有下面两个目的：

去除方法调用的成本，如查找方法版本、建立栈帧。
为其他优化建立良好基础。

内联后代码如下：

public void foo() {

    y = b.value;

    // ...do stuff...

    z = b.value;

    sum = y + z;

}

后续，还可以进行冗余访问消除、复写传播、无用代码消除等优化操作。

2. 方法内联的重要性

方法内联是编译器最重要的优化手段，如果没有内联，多数其他优化都无法有效进行。例如下面这个例子：

public static void foo(Object obj){

    if (obj != null) {

        System.out.println("do something");

    }

}

public static void testInline(String[] args) {

    Object obj = null;

    foo(obj);

}

testInline()方法里其实全都是无用的代码，但是如果不做方法内联，就无法发现任何 Dead Code 的存在，因为分开看的话两个方法里面的操作可能都有意义。

3. Java中方法内联的困难

在 JVM 中，只有非虚方法，也就是使用invokespecial指令调用的私有方法、实例构造器、父类方法和使用invokestatic指令调用的静态方法才会在编译器进行解析。

而其他虚方法被invokevirtual指令调用，在调用时必须进行方法接收者的多态选择。对于一个虚方法，编译器静态地去做内联的时候很难确定应该使用哪个方法版本，这就造成了方法内联的困难。

继承类型关系分析 CHA

首先，JVM 引入了一种名为类型继承关系分析 CHA 的技术，这种技术用于在已加载的类中，确定某个接口是否有多于一种的实现、某个类是否存在子类、某个子类是否覆盖了父类的某个虚方法等信息。

编译器在进行内联时会分不同情况采取不同处理：

如果是非虚方法，那么就直接进行内联。
如果是虚方法，那么向 CHA 查询是否有多个目标版本可供选择。
- 如果只有一个版本，就直接内联，称为守护内联。但由于 Java 程序动态连接，不知道什么时候就会加载到新的类型而改变 CHA 的结论，所以要留好逃生门，假如程序后续执行中加载了导致继承关系发生变化的新类，那么必须抛弃已经编译的代码，退回到解释状态进行执行，或者重新编译。
- 如果有多个版本可供选择，那即时编译器使用内联缓存来缩减方法调用的开销。内联缓存是一个建立在目标方法正常入口之前的缓存。在未发生方法调用时，内联缓存为空。第一次调用发生后，缓存记录下方法接收者的版本信息，并且在每次进行调用前都检查版本。
  - 如果每次调用的方法接收者版本是一样的，那称为单态内联缓存，通过缓存来调用，相比不内联只多了一次类型判断的开销。
  - 如果出现方法接收者不一致的情况，就退化为超多态内联缓存，开销相当于真正查找虚方法表来进行方法分派。
  - 当缓存未命中的时候，大多数JVM的实现时退化成超多态内联缓存，也有一些JVM选择重写单态内联缓存，就是更新缓存为新的版本。这样做的好处是以后还可能会命中，坏处是可能白白浪费一个写的开销。