为什么 Java 编译器内联访问非静态 final 字段？

Question

我一直在运行一些微基准测试，但遇到了一个奇怪的问题。我正在使用带有默认编译器选项的java version "1.8.0_131"。

给定一个定义

public class JavaState {
    public String field = "hello";
    public final String finalField = "hello";
}

直接访问field (state.field) 生成

ALOAD 1
GETFIELD JavaState.field : Ljava/lang/String;

但直接访问finalField (state.finalField) 会生成

ALOAD 1
INVOKEVIRTUAL java/lang/Object.getClass ()Ljava/lang/Class;
POP
LDC "hello"

Why bytecode calls Object->getClass() at a direct field access 解释说对getClass 的调用只是为了检查state 不是null，但随后编译器已经内联了该字段的值。

我可能合理地期望用不同的字段值替换 JavaState 的更高版本会导致其他代码看到更改而无需重新编译，但是这种内联可以防止这种情况发生。我的基准测试表明，如果以性能的名义完成它是行不通的；至少在我的基准 Raspberry Pi 上，访问 finalField 比访问 field 慢 5-10%。

内联final 字段的值的基本原理是什么？

Answer 1

这可能是 Java 语言规范规定的，但细节尚不清楚。来自Section 4.12.4 final Variables：

常量变量是原始类型或 String 类型的最终变量，它使用常量表达式（第 15.28 节）进行初始化。变量是否为常量变量可能会对类初始化（§12.4.1）、二进制兼容性（§13.1、§13.4.9）和明确赋值（§16（明确赋值））产生影响。

请注意，变量不要求为static。然后来自Section 13.1 The Form of a Binary：

对作为常量变量的字段（第 4.12.4 节）的引用必须在编译时解析为由常量变量的初始化程序表示的值 V。

如果这样的字段是静态的，[...]

如果这样的字段是非静态的，那么二进制文件的代码中不应出现对该字段的引用，除非在包含该字段的类中。 （它将是一个类而不是一个接口，因为一个接口只有静态字段。）该类应该具有在实例创建期间将字段的值设置为 V 的代码（第 12.5 节）。

我不确定您的反编译代码来自哪里。如果它在课堂之外，那么您所看到的内容是规范要求的。如果它在课堂上，那就不太清楚了。您可以阅读上述引用中的第三段，暗示该字段的 only 代码引用应该在初始化该字段的<init> 方法中，但这实际上并未说明。

Section 13.4.9 直接解决了您对二进制兼容性的担忧，但似乎将自身明确限制为static 字段（强调我的）：

如果一个字段是一个常量变量（第 4.12.4 节），而且是静态的，那么删除关键字 final 或更改它的值不会因为导致它们而破坏与预先存在的二进制文件的兼容性不运行，但除非重新编译，否则他们不会看到该字段使用的任何新值。该结果是支持条件编译的决定（第 14.21 节）的副作用。 （有人可能会假设，如果使用出现在常量表达式（第 15.28 节）中，则看不到新值，否则会看到。事实并非如此；预先存在的二进制文件根本看不到新值。）

需要内联静态常量变量值的另一个原因是因为 switch 语句。它们是唯一一种依赖于常量表达式的语句，即 switch 语句的每个 case 标签必须是一个常量表达式，其值不同于其他所有 case 标签。案例标签通常是对静态常量变量的引用，因此所有标签都有不同的值可能不会立即显而易见。如果在编译时证明没有重复的标签，那么将值内联到类文件中可以确保在运行时也没有重复的标签 - 这是一个非常理想的属性。

由于非静态常量 final 字段不常用也不是特别有用，因此在编写规范时它们可能只是从裂缝中溜走了。