Question

我试图重现here中描述的一些处理器缓存效果。我知道Java是一个托管环境，这些例子不会完全翻译，但我遇到了一个奇怪的案例，我试图提炼出一个简单的例子来说明效果：

public static void main(String[] args) {
    final int runs = 10;
    final int steps = 1024 * 1024 * 1024;

    for (int run = 0; run < runs; run++) {
        final int[] a = new int[1];
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < steps; i++) {
            a[0]++;
        }
        long stop = System.nanoTime();
        long time = TimeUnit.MILLISECONDS.convert(stop - start, TimeUnit.NANOSECONDS);
        System.out.printf("Time for loop# %2d: %5d ms\n", run, time);
    }
}

输出：

 Time for loop#  0:    24 ms
 Time for loop#  1:   106 ms
 Time for loop#  2:   104 ms
 Time for loop#  3:   103 ms
 Time for loop#  4:   102 ms
 Time for loop#  5:   103 ms
 Time for loop#  6:   104 ms
 Time for loop#  7:   102 ms
 Time for loop#  8:   105 ms
 Time for loop#  9:   102 ms

内循环的第一次迭代大约是后续迭代的4倍。这与我通常所期望的相反，因为通常情况会随着JIT的推出而上升。

当然，人们会在任何严肃的微基准测试中做几次预热循环，但我很好奇是什么原因导致这种行为，特别是因为如果我们知道循环可以在24ms内完成，它的稳态时间超过100毫秒并不十分令人满意。

供我参考使用的JDK（在linux上）：

 openjdk version "1.8.0_40"
 OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_40-b20)
 OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.40-b23, mixed mode)

更新

根据一些评论和一些实验，这里有一些更新信息：

1）将System.out I / O移出循环（通过将时间存储在大小＆＃39;运行＆＃39;的数组中）在时间上没有显着差异。

2）上面显示的输出是我在Eclipse中运行的时间。当我从命令行编译并运行时（使用相同的JDK / JVM），我得到的内容更为温和，但结果仍然很明显（2倍而不是4倍）。这看起来很有意思，因为在日食中运行会减慢速度，如果有的话。

3）将a移出循环，以便重复使用它，每次迭代都没有效果。

4）如果int[] a更改为long[] a，则第一次迭代运行得更快（约20％），而其他迭代仍然是相同（更慢）的速度。

更新2：

我认为apangin的答案解释了这一点。我在Sun的1.9 JVM上试过这个，它来自：

openjdk version "1.8.0_40"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_40-b20)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.40-b23, mixed mode)

Time for loop#  0:    48 ms
Time for loop#  1:   116 ms
Time for loop#  2:   112 ms
Time for loop#  3:   113 ms
Time for loop#  4:   112 ms
Time for loop#  5:   112 ms
Time for loop#  6:   111 ms
Time for loop#  7:   111 ms
Time for loop#  8:   113 ms
Time for loop#  9:   113 ms

为：

java version "1.9.0-ea"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.9.0-ea-b73)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 1.9.0-ea-b73, mixed mode)

Time for loop#  0:    48 ms
Time for loop#  1:    26 ms
Time for loop#  2:    22 ms
Time for loop#  3:    22 ms
Time for loop#  4:    22 ms
Time for loop#  5:    22 ms
Time for loop#  6:    22 ms
Time for loop#  7:    22 ms
Time for loop#  8:    22 ms
Time for loop#  9:    23 ms

这是相当好的改进！

Answer 1

这是方法的次优重新编译。

JIT编译器依赖于解释期间收集的运行时统计信息。当第一次编译main方法时，外部循环尚未完成其第一次迭代=＆gt;运行时统计信息告诉内部循环之后的代码永远不会执行，因此JIT不会打扰它。它反而产生了一个不常见的陷阱。

当内循环第一次结束时，会触发不常见的陷阱，导致该方法被去优化。

在外循环的第二次迭代中，使用新知识重新编译main方法。现在JIT有更多的统计信息和更多的上下文来编译。由于某种原因，它现在不会将值a[0]缓存在寄存器中（可能是因为JIT被更广泛的上下文所欺骗）。因此它生成addl指令来更新内存中的数组，这实际上是内存加载和存储的组合。

相反，在第一次编译期间，JIT在寄存器中缓存a[0]的值，只有mov指令将值存储在内存中（无负载）。

快速循环（第一次迭代）：

0x00000000029fc562: mov    %ecx,0x10(%r14)   <<< array store
0x00000000029fc566: mov    %r11d,%edi
0x00000000029fc569: mov    %r9d,%ecx
0x00000000029fc56c: add    %edi,%ecx
0x00000000029fc56e: mov    %ecx,%r11d
0x00000000029fc571: add    $0x10,%r11d       <<< increment in register
0x00000000029fc575: mov    %r11d,0x10(%r14)  <<< array store
0x00000000029fc579: add    $0x11,%ecx
0x00000000029fc57c: mov    %edi,%r11d
0x00000000029fc57f: add    $0x10,%r11d
0x00000000029fc583: cmp    $0x3ffffff2,%r11d
0x00000000029fc58a: jl     0x00000000029fc562

慢循环（重新编译后）：

0x00000000029fa1b0: addl   $0x10,0x10(%r14)  <<< increment in memory
0x00000000029fa1b5: add    $0x10,%r13d
0x00000000029fa1b9: cmp    $0x3ffffff1,%r13d
0x00000000029fa1c0: jl     0x00000000029fa1b0

然而，这个问题似乎在JDK 9中得到修复。我已经针对最近的JDK 9 Early Access版本检查了这个测试，并验证它是否按预期工作：

Time for loop#  0:   104 ms
Time for loop#  1:   101 ms
Time for loop#  2:    91 ms
Time for loop#  3:    63 ms
Time for loop#  4:    60 ms
Time for loop#  5:    60 ms
Time for loop#  6:    59 ms
Time for loop#  7:    55 ms
Time for loop#  8:    57 ms
Time for loop#  9:    59 ms

为什么这个内循环在通过外循环的第一次迭代中加快了4倍？

1 个答案: