在Java應(yīng)用程序中釋放峰值性能：配置文件引導(dǎo)優(yōu)化(PGO)概述-魔扣目錄

譯者 | 李睿

審校 | 重樓

在JAVA開發(fā)領(lǐng)域，優(yōu)化應(yīng)用程序的性能是開發(fā)人員的持續(xù)追求。配置文件引導(dǎo)優(yōu)化(Profile-Guided Optimization，PGO)是一種功能強(qiáng)大的技術(shù)，能夠顯著地提高Java應(yīng)用程序的效率。通過利用運(yùn)行時(shí)Profiling數(shù)據(jù)，PGO使開發(fā)人員能夠?qū)Υa進(jìn)行微調(diào)，并根據(jù)應(yīng)用程序的實(shí)際使用模式進(jìn)行優(yōu)化。本文將深入研究Java場景中PGO的復(fù)雜性，并提供實(shí)際示例來說明其有效性。

了解PGO

配置文件引導(dǎo)優(yōu)化(PGO)是一種優(yōu)化技術(shù)，它使用運(yùn)行時(shí)Profiling數(shù)據(jù)在編譯過程中做出明智的決策。它幫助編譯器優(yōu)化頻繁執(zhí)行的代碼路徑，同時(shí)避免對較少使用的路徑進(jìn)行不必要的優(yōu)化。為了了解PGO的本質(zhì)，以下深入了解它的關(guān)鍵組成部分：

（1）Profiling

PGO的核心是Profiling，它包括收集程序執(zhí)行的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。Profiling使代碼能夠跟蹤諸如方法調(diào)用頻率、分支預(yù)測結(jié)果和內(nèi)存訪問模式等指標(biāo)。收集到的數(shù)據(jù)提供了對應(yīng)用程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)行為的深入了解。

（2）訓(xùn)練運(yùn)行

為了生成配置文件，應(yīng)用程序在各種實(shí)際場景或訓(xùn)練運(yùn)行下執(zhí)行。這些訓(xùn)練運(yùn)行模擬典型的使用模式，使探查器能夠收集有關(guān)程序行為的數(shù)據(jù)。

（3）配置文件數(shù)據(jù)

在訓(xùn)練運(yùn)行期間收集的數(shù)據(jù)存儲在配置文件數(shù)據(jù)庫中。這些信息封裝了程序的執(zhí)行特征，提供了哪些代碼路徑經(jīng)常被執(zhí)行，哪些代碼很少被訪問的見解。

（4）編譯

在編譯期間，Java虛擬機(jī)(JVM)或即時(shí)編譯器(JIT)使用配置文件數(shù)據(jù)來指導(dǎo)其優(yōu)化決策。它可以更積極地優(yōu)化頻繁遍歷的代碼路徑，從而可能縮短執(zhí)行時(shí)間或減少內(nèi)存使用。

Java中的PGO示例

為了說明Java中配置文件引導(dǎo)優(yōu)化的實(shí)際好處，以下將探索一系列現(xiàn)實(shí)世界的例子。

（1）方法內(nèi)聯(lián)

方法內(nèi)聯(lián)是Java中常見的一種優(yōu)化技術(shù)，PGO可以使其更加有效。考慮以下的Java代碼：

Java 
public class Calculator {
 public static int add(int a, int b) {
 return a + b;
 }

 public static void mAIn(String[] args) {
 int result = add(5, 7);
 System.out.println("Result: " + result);
 }
 }

如果沒有PGO，JVM可能會為add(5,7)生成一個(gè)單獨(dú)的方法調(diào)用。然而，當(dāng)PGO啟用并且分析數(shù)據(jù)表明add方法經(jīng)常被調(diào)用時(shí)，JVM可以決定內(nèi)聯(lián)這一方法，從而優(yōu)化代碼：

Java 
 public class Calculator {
 public static void main(String[] args) {
 int result = 5 + 7;
 System.out.println("Result: " + result);
 }
 }

內(nèi)聯(lián)方法消除了方法調(diào)用的開銷，從而提高了性能。

（2）循環(huán)展開

循環(huán)展開是PGO是實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用的另一個(gè)優(yōu)化。考慮一個(gè)計(jì)算數(shù)組中元素的總和的Java程序：

Java 
 public class ArraySum {
 public static int sumArray(int[] arr) {
 int sum = 0;
 for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
 sum += arr[i];
 }
 return sum;
 }

 public static void main(String[] args) {
 int[] array = new int[100000];
 // Initialize and fill the array
 for (int i = 0; i < 100000; i++) {
 array[i] = i;
 }
 int result = sumArray(array);
 System.out.println("Sum: " + result);
 }
 }

如果沒有PGO，JVM將以一種直接的方式執(zhí)行循環(huán)。然而，使用PGO，JVM可以檢測到循環(huán)頻繁執(zhí)行，并選擇展開它以提高性能：

Java 
 public class ArraySum {
 public static int sumArray(int[] arr) {
 int sum = 0;
 int length = arr.length;
 int i = 0;
 for (; i < length - 3; i += 4) {
 sum += arr[i] + arr[i + 1] + arr[i + 2] + arr[i + 3];
 }
 for (; i < length; i++) {
 sum += arr[i];
 }
 return sum;
 }

 public static void main(String[] args) {
 int[] array = new int[100000];
 // Initialize and fill the array
 for (int i = 0; i < 100000; i++) {
 array[i] = i;
 }
 int result = sumArray(array);
 System.out.println("Sum: " + result);
 }
 }

在這個(gè)例子中，PGO的評測數(shù)據(jù)已經(jīng)通知JVM，循環(huán)展開是一個(gè)值得優(yōu)化的過程，可能會帶來顯著的性能提升。

（3）內(nèi)存訪問模式優(yōu)化

優(yōu)化內(nèi)存訪問模式對于提高數(shù)據(jù)密集型Java應(yīng)用程序的性能至關(guān)重要。考慮以下處理大型數(shù)組的代碼片段：

Java 
 public class ArraySum {
 public static int sumEvenIndices(int[] arr) {
 int sum = 0;
 for (int i = 0; i < arr.length; i += 2) {
 sum += arr[i];
 }
 return sum;
 }

 public static void main(String[] args) {
 int[] array = new int[1000000];
 // Initialize and fill the array
 for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
 array[i] = i;
 }
 int result = sumEvenIndices(array);
 System.out.println("Sum of even indices: " + result);
 }
 }

如果沒有PGO，JVM可能無法有效地優(yōu)化內(nèi)存訪問模式。然而，通過分析數(shù)據(jù)，JVM可以識別跨步模式并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化：

Java 
 public class ArraySum {
 public static int sumEvenIndices(int[] arr) {
 int sum = 0;
 int length = arr.length;
 for (int i = 0; i < length; i += 2) {
 sum += arr[i];
 }
 return sum;
 }

 public static void main(String[] args) {
 int[] array = new int[1000000];
 // Initialize and fill the array
 for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
 array[i] = i;
 }
 int result = sumEvenIndices(array);
 System.out.println("Sum of even indices: " + result);
 }
 }

PGO可以通過將內(nèi)存訪問模式與硬件功能相結(jié)合來顯著提高緩存性能。

在Java中實(shí)現(xiàn)PGO

在Java中實(shí)現(xiàn)PGO涉及一系列步驟，包括收集分析數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)并應(yīng)用優(yōu)化來提高應(yīng)用程序的性能。以下將更詳細(xì)地探討這些步驟。

（1）常用的Profiling工具

要啟動(dòng)PGO過程，需要對Java應(yīng)用程序進(jìn)行分析。Java有幾種可用的Profiling工具，每種工具都有自己的特性和功能。一些常用的工具包括：

VisualVM：VisualVM是一個(gè)通用的分析和監(jiān)控工具，與Java開發(fā)工具包(JDK)捆綁在一起。它提供了一個(gè)圖形用戶界面，便于性能監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)的積累。
YourKit：YourKit代表一個(gè)專門為Java應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的探查器。它擁有先進(jìn)的分析功能，包括CPU和內(nèi)存分析。該工具用戶友好的界面簡化了數(shù)據(jù)收集和分析過程。
Java Flight Recorder (JFR)：JFR是Java平臺不可或缺的組成部分，也是JDK的一部分，采用低影響分析工具的形式。它使用戶能夠收集有關(guān)應(yīng)用程序操作的全面運(yùn)行時(shí)見解。
Async Profiler：Async Profiler是為Java應(yīng)用量身定制的一種開源探查器。它擅長收集方法調(diào)用、鎖爭用和CPU利用率方面的數(shù)據(jù)，同時(shí)保持對系統(tǒng)資源的最小影響。

開發(fā)人員可以選擇最適合自己需求的分析工具，并將其配置為收集與應(yīng)用程序性能瓶頸相關(guān)的特定分析數(shù)據(jù)。分析可以包括方法調(diào)用頻率、內(nèi)存分配模式和線程行為。

（2）訓(xùn)練運(yùn)行

有了選擇的分析工具，將需要在各種代表性場景下運(yùn)行Java應(yīng)用程序，這些場景通常被稱為“訓(xùn)練運(yùn)行”。這些訓(xùn)練運(yùn)行應(yīng)該盡可能地模擬真實(shí)的使用模式。在這些運(yùn)行過程中，分析工具收集有關(guān)應(yīng)用程序執(zhí)行行為的數(shù)據(jù)。

可以考慮以下場景：

模擬代表常見用戶操作的用戶交互和工作流。
模擬高負(fù)載條件的壓力測試。
探索性測試以覆蓋不同的代碼路徑。
負(fù)載測試以評估可擴(kuò)展性。

通過進(jìn)行全面的訓(xùn)練運(yùn)行，可以捕獲應(yīng)用程序可能顯示廣泛的運(yùn)行時(shí)行為。

（3）配置文件數(shù)據(jù)

Profiling工具從訓(xùn)練運(yùn)行中收集數(shù)據(jù)，并將其存儲在配置文件數(shù)據(jù)庫或日志文件中。而配置文件數(shù)據(jù)是了解應(yīng)用程序在實(shí)際場景中的執(zhí)行情況的寶貴資源。它包含關(guān)于哪些方法被頻繁調(diào)用、哪些代碼路徑被最頻繁執(zhí)行以及哪里存在潛在瓶頸的信息。

配置文件數(shù)據(jù)可能包括如下指標(biāo)：

方法調(diào)用計(jì)數(shù)
內(nèi)存分配和垃圾收集統(tǒng)計(jì)
線程活動(dòng)和同步詳細(xì)信息
異常發(fā)生和處理
CPU和內(nèi)存使用情況

配置文件數(shù)據(jù)是明智的優(yōu)化決策的基礎(chǔ)。

（4）編譯

Java虛擬機(jī)(JVM)或即時(shí)編譯器(JIT)負(fù)責(zé)將Java字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為原生機(jī)器碼。在編譯期間，JVM或JIT編譯器可以使用配置文件數(shù)據(jù)來指導(dǎo)其優(yōu)化決策。

在編譯期間啟用PGO的具體步驟可能會根據(jù)使用的JVM實(shí)現(xiàn)而有所不同：

HotSpot JVM：HotSpot JVM是使用最廣泛的Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境，它通過“分層編譯”機(jī)制支持PGO。它收集分析數(shù)據(jù)，并使用它來指導(dǎo)從解釋代碼到完全優(yōu)化的機(jī)器碼的編譯。-XX:+UseProfiledCode和-XX:ProfiledCodeGenerate控制HotSpot中的PGO。
GraalVM：GraalVM提供了一個(gè)具有高級優(yōu)化功能的即時(shí)編譯器(JIT)。它可以利用配置數(shù)據(jù)來提高性能。GraalVM的原生映像工具允許通過配置文件引導(dǎo)的優(yōu)化生成原生二進(jìn)制文件。
其他JVM：支持PGO的JVM可能有自己的一組標(biāo)志和選項(xiàng)。可以參考特定JVM實(shí)現(xiàn)的文檔，了解如何啟用PGO。

需要注意的是，一些JVM（例如HotSpot）可能會在常規(guī)執(zhí)行期間自動(dòng)收集分析數(shù)據(jù)，而不需要啟用PGO。

（5）分析與調(diào)優(yōu)

一旦收集了分析數(shù)據(jù)并在編譯期間啟用了PGO，下一步就是分析數(shù)據(jù)并應(yīng)用優(yōu)化。以下是分析和調(diào)優(yōu)的一些注意事項(xiàng)：

識別性能瓶頸：分析性能分析數(shù)據(jù)以識別性能瓶頸，例如頻繁調(diào)用的方法、熱代碼路徑或內(nèi)存密集型操作。
優(yōu)化決策：基于分析數(shù)據(jù)，做出關(guān)于代碼優(yōu)化的明智決策。常見的優(yōu)化包括方法內(nèi)聯(lián)、循環(huán)展開、內(nèi)存訪問模式改進(jìn)和線程同步增強(qiáng)。
優(yōu)化技術(shù)：使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)和編碼實(shí)踐實(shí)現(xiàn)所選的優(yōu)化。
基準(zhǔn)測試：在進(jìn)行優(yōu)化后，對應(yīng)用程序進(jìn)行基準(zhǔn)測試，以衡量性能改進(jìn)。使用分析工具來驗(yàn)證優(yōu)化是否對分析期間確定的瓶頸產(chǎn)生了積極影響。

（6）定期重新分析和優(yōu)化

性能優(yōu)化是一個(gè)持續(xù)的過程。隨著應(yīng)用程序的發(fā)展和使用模式的變化，定期重新分析和優(yōu)化對于保持峰值性能至關(guān)重要。在應(yīng)用程序生命周期的不同階段繼續(xù)收集配置文件數(shù)據(jù)，并相應(yīng)地調(diào)整優(yōu)化。

結(jié)論

配置文件引導(dǎo)優(yōu)化(PGO)是Java開發(fā)人員工具包中的一個(gè)強(qiáng)大工具，提供了提高應(yīng)用程序性能的方法。通過利用運(yùn)行時(shí)Profiling數(shù)據(jù)為優(yōu)化決策提供信息，PGO使開發(fā)人員能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)世界中遇到的特定使用模式定制他們的代碼增強(qiáng)功能。

無論是涉及方法內(nèi)聯(lián)、循環(huán)優(yōu)化還是內(nèi)存訪問模式優(yōu)化，PGO都是顯著提高Java應(yīng)用程序效率和速度的一種催化劑，使它們更加節(jié)約資源。當(dāng)開發(fā)人員踏上優(yōu)化Java應(yīng)用程序的旅程時(shí)，可以將PGO視為釋放其全部潛力的強(qiáng)大盟友，確保它們不斷提供頂級性能。

原文標(biāo)題：Unleash Peak Performance in Java Applications: Overview of Profile-Guided Optimization (PGO)，作者：Andrei Tuchin