JVM內建函數Intrinsics介紹

2022-02-23 19:00:28

1.什麼是內建？

內建函數是由我們的程式語言的編譯器或直譯器進行特殊處理的函數。更具體地說，這是一種特殊情況，因為各種原因，編譯器或直譯器可以用替代實現替換函數。

程式語言通常通過理解一個特定的方法呼叫是特殊的來處理這個問題，無論何時我們呼叫這個方法，結果都是不同的。這樣一來，我們的程式碼看起來與正常程式碼沒有什麼不同，但程式語言的實現可以在特殊情況下進行干預，以提供額外的好處。

它的具體工作方式因程式語言、作業系統和硬體而異。然而，由於這些都是為我們處理的，我們通常不需要知道這些細節中的任何一個。

本質可以帶來各種好處。用本機程式碼替換特定演演算法可以使它們效能更好，甚至可以利用作業系統的特定功能或底層硬體。

JVM通過用替代版本替換精確類上的精確方法呼叫來實現內建函數。JVM自己處理這個問題，所以它只適用於核心類和特定的體系結構。它還只允許交換某些方法，而不是整個類。

具體的工作方式在JVM之間會有所不同。這不僅包括JVM的不同版本，例如Java 8和Java 11。這還包括不同的JVM目標——例如Linux和Windows——尤其是JVM供應商——Oracle和IBM。在某些情況下，傳遞給JVM的某些命令列標誌可能會影響它們。

這種多樣性意味著無法僅基於應用程式來確定哪些方法將被內建方法替換，哪些不會。這將根據執行應用程式的JVM而有所不同。但在某些情況下，這可能會導致令人驚訝的結果——包括通過簡單地更改所使用的JVM而獲得的顯著效能優勢。

intrinsic通常用於實現同一程式碼的更高效版本，例如，通過利用正在執行的OS或CPU的實現細節。有時這是因為它可以使用更高效的實現，而有時它可以使用特定於硬體的功能。

例如：HotSpot JDK對java中的許多方法都有一個內在的實現java.lang.Math。根據具體的JVM，它們可能使用CPU指令來實現，以完成所需的精確計算。

一個簡單的測試將證明這一點。例如，以java.lang.Math.sqrt()為例。

我們可以編寫一個測試：

for (int a = 0; a < 100000; ++a) {
    double result = Math.sqrt(a);
}

此測試將執行100000次平方根運算，大約需要123ms。但是，如果我們用Math實現的副本替換這段程式碼。Math.sqrt()：

double result = StrictMath.sqrt(a);

這段程式碼執行同樣的操作，但執行時間為166ms。通過複製實現，而不是允許JVM用內部版本替換它，這將增加35%。

在其他情況下，intrinsic用於程式碼無法在Java中實現的情況。這些通常是為非常低階的情況保留的。

例如，讓我們看看java.lang.Thread執行緒類中的onSpinWait（）方法。此方法表示此執行緒當前未執行任何工作，並且可以將CPU時間分配給另一個執行緒。為了實現這一點，它需要在儘可能低的水平上工作。

HotSpot JDK for x86體系結構使用PAUSE操作碼直接在CPU上實現這一點。實現這一點的唯一其他方法是使用對本機程式碼的JNI呼叫，而這其中涉及的開銷首先會抵消呼叫的好處。

不幸的是，沒有確定的方法來識別可能被內在版本取代的方法。這是因為不同的JVM，甚至是不同平臺上的同一個JVM，會為不同的方法實現這一點。

但是，從Java 9開始使用HotSpotJVM時，所有可能被替換的方法都會使用@HotSpotInTrensicAndidate註釋。新增此註釋不會自動導致方法被替換。實際上，這種情況發生在底層JVM中。相反，JVM開發人員知道這些方法是特殊的，需要小心使用。

如果其他JVM被識別出來，它們可能會以不同的方式處理這個問題。這包括Java8或更早版本中的Hotspot JVM。

我們無法編寫依賴於內建函數存在的程式，因為無法知道它們是否在執行時JVM上可用。然而，它們是JVM可以用來改程序式工作方式的一種引人注目的方法。

這些內在特性可以——而且經常被——新增到新版本的JVM中。因此，只需升級我們正在執行的JVM，就可以改進我們已經執行的程式碼，所以這是確保我們保持依賴項和執行時最新的另一個原因。

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