乘法/位移优化是否应该在 Java 字节码中可见

Question

我一直在读到不需要移位，因为编译器优化会将乘法转换为移位。如Should I bit-shift to divide by 2 in Java?和Is shifting bits faster than multiplying and dividing in Java? .NET?

我不是在这里询问性能差异，我可以自己测试一下。但我觉得奇怪的是，有几个人提到它会“编译成同一个东西”。这似乎不是真的。我写了一小段代码。

private static void multi()
{
    int a = 3;
    int b = a * 2;
    System.out.println(b);
}

private static void shift()
{
    int a = 3;
    int b = a << 1L;
    System.out.println(b);
}

这给出了相同的结果，只是打印出来。

当我查看生成的 Java Bytecode 时，如下所示。

private static void multi();
Code:
   0: iconst_3
   1: istore_0
   2: iload_0
   3: iconst_2
   4: imul
   5: istore_1
   6: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   9: iload_1
  10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
  13: return

private static void shift();
Code:
   0: iconst_3
   1: istore_0
   2: iload_0
   3: iconst_1
   4: ishl
   5: istore_1
   6: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   9: iload_1
  10: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
  13: return

现在我们可以看到“imul”和“ishl”之间的区别了。

我的问题是：显然，Java 字节码中看不到所说的优化。我仍然假设优化确实发生了，那么它只是发生在较低级别吗？或者，因为它是 Java，JVM 在遇到 imul 语句时是否知道它应该被翻译成别的东西。如果是这样，任何有关如何处理的资源将不胜感激非常。

（作为旁注，我并不是要证明移位的必要性。我认为它会降低可读性，至少对于习惯于 Java 的人来说，对于 C++ 可能会有所不同。我只是想看看优化发生在哪里）。

Answer 1

标题中的问题听起来与文本中的问题有点不同。引用的语句将移位和乘法“编译为相同的东西” 是正确的。但它还不适用于字节码。

一般来说，Java 字节码是相当未经优化的。 非常很少进行优化 - 主要是常量的内联。除此之外，Java 字节码只是原始程序的中间表示。并且从 Java 到 Java 字节码的翻译是相当“字面上”完成的。

_{（我认为这是一件好事。字节码仍然与原始 Java 代码非常相似。所有可能的细节（特定于平台！）优化都留给了虚拟机，它这里有更多选择。}

所有进一步的优化，例如算术优化、死代码消除或方法内联，都由 JIT（即时编译器）在运行时完成。 Just-In-Time 编译器还应用了通过位移替换乘法的优化。

由于几个原因，您提供的示例使显示效果有点困难。由于内联和调用此方法的一般先决条件，方法中包含System.out.println 的事实往往会使实际机器代码变大。但更重要的是，移位 1 对应于与 2 的乘法，也对应于将值与自身相加。因此，您可能会在 multi- 和 shift 方法中看到伪装的 add 指令，而不是观察 multi 方法生成的机器代码中的 shl（左移）汇编指令.

但是，这里有一个非常实用的例子，它左移了 8，对应于乘以 256：

class BitShiftOptimization
{
    public static void main(String args[])
    {
        int blackHole = 0;
        for (int i=0; i<1000000; i++)
        {
            blackHole += testMulti(i);
            blackHole += testShift(i);
        }
        System.out.println(blackHole);

    }

    public static int testMulti(int a)
    {
        int b = a * 256;
        return b;
    }

    public static int testShift(int a)
    {
        int b = a << 8L;
        return b;
    }
}

(它接收要移动的值作为参数，以防止将其优化为常量。它多次调用方法，以触发 JIT。它返回并收集两个方法的值以防止方法调用要优化掉。再说一次，这很实用，但足以显示效果）

使用

在 Hotspot Disassembler VM 中运行它

java -server -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+TraceClassLoading -XX:+LogCompilation -XX:+PrintInlining -XX:+PrintAssembly BitShiftOptimization

将为testMulti 方法生成以下汇编代码：

Decoding compiled method 0x000000000286fbd0:
Code:
[Entry Point]
[Verified Entry Point]
[Constants]
  # {method} {0x000000001c0003b0} 'testMulti' '(I)I' in 'BitShiftOptimization'
  # parm0:    rdx       = int
  #           [sp+0x40]  (sp of caller)
  0x000000000286fd20: mov    %eax,-0x6000(%rsp)
  0x000000000286fd27: push   %rbp
  0x000000000286fd28: sub    $0x30,%rsp
  0x000000000286fd2c: movabs $0x1c0005a8,%rax   ;   {metadata(method data for {method} {0x000000001c0003b0} 'testMulti' '(I)I' in 'BitShiftOptimization')}
  0x000000000286fd36: mov    0xdc(%rax),%esi
  0x000000000286fd3c: add    $0x8,%esi
  0x000000000286fd3f: mov    %esi,0xdc(%rax)
  0x000000000286fd45: movabs $0x1c0003a8,%rax   ;   {metadata({method} {0x000000001c0003b0} 'testMulti' '(I)I' in 'BitShiftOptimization')}
  0x000000000286fd4f: and    $0x1ff8,%esi
  0x000000000286fd55: cmp    $0x0,%esi
  0x000000000286fd58: je     0x000000000286fd70  ;*iload_0
                        ; - BitShiftOptimization::testMulti@0 (line 17)

  0x000000000286fd5e: shl    $0x8,%edx
  0x000000000286fd61: mov    %rdx,%rax
  0x000000000286fd64: add    $0x30,%rsp
  0x000000000286fd68: pop    %rbp
  0x000000000286fd69: test   %eax,-0x273fc6f(%rip)        # 0x0000000000130100
                        ;   {poll_return}
  0x000000000286fd6f: retq   
  0x000000000286fd70: mov    %rax,0x8(%rsp)
  0x000000000286fd75: movq   $0xffffffffffffffff,(%rsp)
  0x000000000286fd7d: callq  0x000000000285f160  ; OopMap{off=98}
                        ;*synchronization entry
                        ; - BitShiftOptimization::testMulti@-1 (line 17)
                        ;   {runtime_call}
  0x000000000286fd82: jmp    0x000000000286fd5e
  0x000000000286fd84: nop
  0x000000000286fd85: nop
  0x000000000286fd86: mov    0x2a8(%r15),%rax
  0x000000000286fd8d: movabs $0x0,%r10
  0x000000000286fd97: mov    %r10,0x2a8(%r15)
  0x000000000286fd9e: movabs $0x0,%r10
  0x000000000286fda8: mov    %r10,0x2b0(%r15)
  0x000000000286fdaf: add    $0x30,%rsp
  0x000000000286fdb3: pop    %rbp
  0x000000000286fdb4: jmpq   0x0000000002859420  ;   {runtime_call}
  0x000000000286fdb9: hlt    
  0x000000000286fdba: hlt    
  0x000000000286fdbb: hlt    
  0x000000000286fdbc: hlt    
  0x000000000286fdbd: hlt    
  0x000000000286fdbe: hlt    

（顺便说一下，testShift 方法的代码有相同的说明）。

这里的相关行是

  0x000000000286fd5e: shl    $0x8,%edx

对应于左移8。