第57篇-profile實例
- 2022 年 1 月 20 日
- 筆記
之前已經介紹過回邊計數和ProfileData與Layout，下面舉個具體的例子看下MethodData是怎麼利用ProfileData等記錄詳細的運行時資訊的。實例如下：
package com.test;
import java.util.LinkedList;
public class CompilationDemo {
public static void main(String args[]){
fact(60010*2);
}
public static int fact(int n) {
int p = 1;
while (n > 0) {
p++;
}
return p;
}
}
通過如下命令配置讓HotSpot VM運行如上使用Javac編譯的位元組碼，如下：
-cp .:/media/mazhi/sourcecode/workspace/projectjava/projectjava01/bin -XX:+TraceOnStackReplacement com.test/CompilationDemo
生成的位元組碼如下：
public static int fact(int);
descriptor: (I)I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=2, args_size=1
0: iconst_1
1: istore_1
2: iload_0
3: ifle 12 // 當棧頂int類型數值小於等於0時跳轉
6: iinc 1, 1
9: goto 2
12: iload_1
13: ireturn
對如上的位元組碼來說，位元組碼索引為3和9的2個位元組碼 ifle和goto需要有對應的ProfileData，具體就是BranchData和JumpData。其數據布局如下：
BranchData、JumpData等都是按照DataLayout的格式布局數據的，DataLayout在前一篇文章中詳細介紹過，如下：
class DataLayout VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
private:
union {
// intptr_t類型佔用8個位元組
intptr_t _bits;
struct {
u1 _tag;
// flags的格式為[ recompile:1 | reason:3 | flags:4]
u1 _flags;
u2 _bci;
} _struct;
} _header;
// 可以有許多個cells，首個cell的地址通過如下的_cells屬性保存，
// 具體的cells數組的大小還要根據具體的ProfileData來決定
intptr_t _cells[1];
// ...
}
對於本篇的實例來說，各個具體的值如下：
（1）BranchData
DataLayout::_bits=0 DataLayout::_struct._tag=DataLayout::branch_data_tag _header._struct._bci=3
_cells數組的大小為3，每個數組元素的大小為8位元組。_cells的初始化主要是在各個ProfileData的子類中調用post_initialize()函數完成的，對於BranchData來說，調用BranchData類的post_initialize()函數初始化。_cells在初始化時會在下標為displacement_off_set=1處存儲56。因為ifle指令跳轉的目的地指令沒有對應的ProfileData數據，所以直接跳轉出了data_size區域。
BranchData類的定義如下：
class BranchData : public JumpData {
protected:
enum {
not_taken_off_set = jump_cell_count, // jump_cell_count的值為2
branch_cell_count // branch_cell_count的值為3
};
// ...
}
注意BranchData類繼承自JumpData類，所以BranchData類的_cells需要3個，分別為JumpData::taken_off_set、JumpData::displacement_off_set和BranchData::not_taken_off_set。
調用如下函數初始化BranchData，函數的實現如下：
void BranchData::post_initialize(BytecodeStream* stream, MethodData* mdo) {
assert(stream->bci() == bci(), "wrong pos");
int target = stream->dest();
// 調用dp()函數獲取ProfileData::_data屬性的值，然後結合MethodData::_data計算
// 出BranchData相對於MethodData::_data的索引值
int my_di = mdo->dp_to_di(dp());
// 通過位元組碼指令的下標索引獲取target data index
int target_di = mdo->bci_to_di(target);
int offset = target_di - my_di;
// 將偏移存儲到JumpData的displacement_off
set_displacement(offset);
}
可以看到會初始化BranchData中的JumpData::displacement_off_set屬性的值。其它_cells的值為0。
（2）JumpData
DataLayout::_bits=0 DataLayout::_struct._tag=DataLayout::jump_data_tag _header._struct._bci=9
_cells數組的大小為2，初始化時在下標為displacement_off_set=1處存儲-32。因為goto指令會跳轉到下標索引為2的位元組碼處，這個指令雖然沒有ProfileData，但是ifle有對應的BranchData數據，所以JumpData的_data_index加上-32後值為0，在運行過程中遇到ifle時直接能通過_data_index找到對應的BranchData。
JumpData類的定義如下：
class JumpData : public ProfileData {
protected:
enum {
taken_off_set, // 0
displacement_off_set, // 1
jump_cell_count // 2
};
// ...
}
JumpData佔用的記憶體大小除了DataLayout::_header之外，還要分配2個cell，每個cell的大小為8位元組，分別用來存儲taken_off和displacement_off。taken_off表示跳轉的次數，而displacement_off用來調整method data pointer到對應的ProfileData位置，這個ProfileData位置和跳轉的位元組碼指令對應，這樣如果跳轉的目標位元組碼指令如果也有一些需要記錄的資訊，則直接通過method data pointer就能找到對應的ProfileData進行記錄。
JumpData::post_initialize()函數的實現如下：
void JumpData::post_initialize(BytecodeStream* stream, MethodData* mdo) {
int target;
Bytecodes::Code c = stream->code();
// 獲取跳轉指令的目標跳轉位元組碼指令的索引
if (c == Bytecodes::_goto_w || c == Bytecodes::_jsr_w) {
target = stream->dest_w();
} else {
target = stream->dest();
}
// dp()函數獲取JumpData::_data的首地址，然後結合MethodData::_data計算
// 出JumpData在MethodData::_data的索引值
int my_di = mdo->dp_to_di(dp()); //
// 通過位元組碼指令的下標索引獲取target data index
int target_di = mdo->bci_to_di(target);
int offset = target_di - my_di;
// 將偏移存儲到JumpData的displacement_off
set_displacement(offset);
}
可以看到JumpData中的displacement_off存儲的是_data的偏移量，method data pointer其實是指向_data中的某一項ProfileData，偏移 displacement_off 後仍然指向另外一個ProfileData。
（3）ArgInfoData
DataLayout::_bits=0 DataLayout::_struct._tag=DataLayout::arg_info_data_tag _header._struct._bci=0
_cells數組的大小為2。在下標為0處的數組中存儲的是數組的長度，為1。可以理解為下標索引最大為1。
下面看一下，控制轉移指令是如何通過Method::_method_data中的_data屬性記錄運行時資訊的。
ifle指令對應的彙編程式碼如下：
// 對第1個第2個操作數進行邏輯與，如果為0則ZF設置為0 0x00007fffe101ba07: test %eax,%eax // 如果大於0則跳轉到---- not_taken ---- 0x00007fffe101ba09: jg 0x00007fffe101bd69 // 找到Method*並存儲到%rcx中 0x00007fffe101ba0f: mov -0x18(%rbp),%rcx // 找到method data pointer，如果為NULL就直接跳轉 0x00007fffe101ba13: mov -0x20(%rbp),%rax 0x00007fffe101ba17: test %rax,%rax 0x00007fffe101ba1a: je 0x00007fffe101ba38 // 根據Method::_method_data獲取到JumpData::taken_off_set偏移處屬性的值並存儲到%rbx中 0x00007fffe101ba20: mov 0x8(%rax),%rbx // 增加DataLayout::counter_increment，值為1 0x00007fffe101ba24: add $0x1,%rbx 0x00007fffe101ba28: sbb $0x0,%rbx // 存儲回JumpData::taken_off_set偏移處 0x00007fffe101ba2c: mov %rbx,0x8(%rax) // %rax中存儲的是method data pointer // 根據method data pointer獲取JumpData::displacement_off_set偏移處的值 0x00007fffe101ba30: add 0x10(%rax),%rax // 將%rax中存儲的值更新到棧中interpreter_frame_mdx_offset偏向處 0x00007fffe101ba34: mov %rax,-0x20(%rbp) // .... // **** not_takne **** // 如果method data pointer為NULL，就直接跳轉到---- profile_continue ---- 0x00007fffe101bd69: mov -0x20(%rbp),%rax 0x00007fffe101bd6d: test %rax,%rax 0x00007fffe101bd70: je 0x00007fffe101bd88 // 增加BranchData::not_taken_off_set=2處的值，加1 0x00007fffe101bd76: addq $0x1,0x18(%rax) // 根據method data pointer增加$0x20，也就是BranchData的大小 0x00007fffe101bd7b: sbbq $0x0,0x18(%rax) 0x00007fffe101bd80: add $0x20,%rax 0x00007fffe101bd84: mov %rax,-0x20(%rbp) // **** profile_continue ****
要注意，如上的method data pointer指向的是_data_index為0的位置的地址。對於BranchData來說，_cells數組的大小為3，分別存儲著JumpData::taken_off_set、JumpData::displacement_off_set和BranchData::not_taken_off_set，所以會詳細記錄下相關指令的運行時具體數據，非常有利於後續編譯器進行高級優化。
在介紹goto位元組碼指令時，調用的TemplateTable::branch()函數中會調用InterpreterMacroAssembler::profile_taken_branch()函數，生成的彙編程式碼如下：
// 如果開啟了選項ProfileInterpreter，則執行分支跳轉相關的性能統計 // %rax中保存著mdp（method data pointer） 0x00007fffe101dd14: mov -0x20(%rbp),%rax // 如果Method::_method_data的值為NULL，則跳轉到---- profile_continue ---- 0x00007fffe101dd18: test %rax,%rax 0x00007fffe101dd1b: je 0x00007fffe101dd39 // 程式碼執行到這裡時，表示Method::_method_data的值不為NULL // 根據Method::_method_data獲取到JumpData::taken_off_set偏移處屬性的值並存儲到%rbx中 0x00007fffe101dd21: mov 0x8(%rax),%rbx // 增加DataLayout::counter_increment，值為1 0x00007fffe101dd25: add $0x1,%rbx // sbb是帶借位減法指令 0x00007fffe101dd29: sbb $0x0,%rbx // 存儲回JumpData::taken_off_set偏移處 0x00007fffe101dd2d: mov %rbx,0x8(%rax) // %rax中存儲的是method data pointer // 根據method data pointer獲取JumpData::displacement_off_set偏移處的值 0x00007fffe101dd31: add 0x10(%rax),%rax // 將%rax中存儲的值更新到棧中interpreter_frame_mdx_offset偏向處 0x00007fffe101dd35: mov %rax,-0x20(%rbp)
當Method::_method_data不為NULL時，會向MethodData::_data中記錄控制轉移的次數（注意這裡是控制轉移的次數，並不是回邊的次數）。通過JumpData來記錄，這個JumpData已經在MethodData::_data上的對應位置上並且已經進行了初始化，，在DataLayout::initialize()函數中初始化一些常用的屬性，然後調用post_initialize()函數完成一些特定屬性的初始化，下面看一下JumpData。
程式在使用過程中，經常需要在bci、bcp、method data pointer（棧中interpreter_frame_mdx_offset處存儲的就是這個值）、data index。如bci轉換為data index的函數如下：
int bci_to_di(int bci) {
address x = bci_to_dp(bci);
return dp_to_di(x);
}
首先要通過bci找到method data pointer，調用的函數如下：
address MethodData::bci_to_dp(int bci) {
ResourceMark rm;
ProfileData* data = data_before(bci);
ProfileData* prev = NULL;
for ( ; is_valid(data); data = next_data(data)) {
if (data->bci() >= bci) { // 如果進入這個循環，則一定會返回
if (data->bci() == bci){
int x = dp_to_di(data->dp());
set_hint_di(x);
}
else if (prev != NULL){
int x = dp_to_di(prev->dp());
set_hint_di(x);
}
return data->dp();
}
prev = data;
}
return (address)limit_data_position();
}
ProfileData* data_before(int bci) {
// avoid SEGV on this edge case
if (data_size() == 0){
return NULL;
}
int hint = hint_di();
if (data_layout_at(hint)->bci() <= bci){
return data_at(hint);
}
return first_data();
}
將method data pointer轉換為data index的函數如下：
int dp_to_di(address dp) {
return dp - ((address)_data);
}
有時候，當Method::_method_data屬性的值不為NULL時需要調用InterpreterRuntime::bcp_to_di()函數將bcp轉換為data index，此函數的實現如下：
IRT_LEAF(jint, InterpreterRuntime::bcp_to_di(
Method* method,
address cur_bcp)
)
int bci = method->bci_from(cur_bcp);
MethodData* mdo = method->method_data();
if (mdo == NULL)
return 0;
return mdo->bci_to_di(bci);
IRT_END
首先調用bci_from()函數獲取位元組碼索引bci，函數的實現如下：
int Method::bci_from(address bcp) const {
return bcp - code_base();
}
然後調用bci_to_di()函數即可。
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