第57篇-profile实例

2023-10-10 11:20:10

之前已经介绍过回边计数和ProfileData与Layout，下面举个具体的例子看下MethodData是怎么利用ProfileData等记录详细的运行时信息的。实例如下：

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;
	}
}

通过如下命令配置让HotSpot VM运行如上使用Javac编译的字节码，如下：

-cp .:/media/mazhi/sourcecode/workspace/projectjava/projectjava01/bin  -XX:+TraceOnStackReplacement  com.test/CompilationDemo

生成的字节码如下：

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 // 当栈顶int类型数值小于等于0时跳转
         6: iinc          1, 1
         9: goto          2
        12: iload_1
        13: ireturn

对如上的字节码来说，字节码索引为3和9的2个字节码 ifle和goto需要有对应的ProfileData，具体就是BranchData和JumpData。其数据布局如下：

第57篇-profile实例

BranchData、JumpData等都是按照DataLayout的格式布局数据的，DataLayout在前一篇文章中详细介绍过，如下：

class DataLayout VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
private:
  union {
     // intptr_t类型占用8个字节
     intptr_t _bits; 
     struct {
      u1 _tag;
          // flags的格式为[ recompile:1 | reason:3 | flags:4]
      u1 _flags; 
      u2 _bci;
     } _struct;
  } _header;
 
 
  // 可以有许多个cells，首个cell的地址通过如下的_cells属性保存，
  // 具体的cells数组的大小还要根据具体的ProfileData来决定
  intptr_t _cells[1];
 
  // ...
}

对于本篇的实例来说，各个具体的值如下： 

（1）BranchData

DataLayout::_bits=0
DataLayout::_struct._tag=DataLayout::branch_data_tag
_header._struct._bci=3

_cells数组的大小为3，每个数组元素的大小为8字节。_cells的初始化主要是在各个ProfileData的子类中调用post_initialize()函数完成的，对于BranchData来说，调用BranchData类的post_initialize()函数初始化。_cells在初始化时会在下标为displacement_off_set=1处存储56。因为ifle指令跳转的目的地指令没有对应的ProfileData数据，所以直接跳转出了data_size区域。

BranchData类的定义如下：

class BranchData : public JumpData {
protected:
  enum {
    not_taken_off_set = jump_cell_count, // jump_cell_count的值为2
    branch_cell_count  // branch_cell_count的值为3
  };
  // ...
}

注意BranchData类继承自JumpData类，所以BranchData类的_cells需要3个，分别为JumpData::taken_off_set、JumpData::displacement_off_set和BranchData::not_taken_off_set。

调用如下函数初始化BranchData，函数的实现如下：

void BranchData::post_initialize(BytecodeStream* stream, MethodData* mdo) {
  assert(stream->bci() == bci(), "wrong pos");
  int target = stream->dest();
  // 调用dp()函数获取ProfileData::_data属性的值，然后结合MethodData::_data计算
  // 出BranchData相对于MethodData::_data的索引值
  int my_di = mdo->dp_to_di(dp());
  // 通过字节码指令的下标索引获取target data index
  int target_di = mdo->bci_to_di(target);
  int offset = target_di - my_di;
  // 将偏移存储到JumpData的displacement_off
  set_displacement(offset);
}　

可以看到会初始化BranchData中的JumpData::displacement_off_set属性的值。其它_cells的值为0。　　

（2）JumpData

DataLayout::_bits=0
DataLayout::_struct._tag=DataLayout::jump_data_tag
_header._struct._bci=9

_cells数组的大小为2，初始化时在下标为displacement_off_set=1处存储-32。因为goto指令会跳转到下标索引为2的字节码处，这个指令虽然没有ProfileData，但是ifle有对应的BranchData数据，所以JumpData的_data_index加上-32后值为0，在运行过程中遇到ifle时直接能通过_data_index找到对应的BranchData。

JumpData类的定义如下：

class JumpData : public ProfileData {
protected:
  enum {
    taken_off_set,        // 0
    displacement_off_set, // 1
    jump_cell_count       // 2
  };
  
  // ...
}

JumpData占用的内存大小除了DataLayout::_header之外，还要分配2个cell，每个cell的大小为8字节，分别用来存储taken_off和displacement_off。taken_off表示跳转的次数，而displacement_off用来调整method data pointer到对应的ProfileData位置，这个ProfileData位置和跳转的字节码指令对应，这样如果跳转的目标字节码指令如果也有一些需要记录的信息，则直接通过method data pointer就能找到对应的ProfileData进行记录。

JumpData::post_initialize()函数的实现如下：

void JumpData::post_initialize(BytecodeStream* stream, MethodData* mdo) {
  int target;
  Bytecodes::Code c = stream->code();
  // 获取跳转指令的目标跳转字节码指令的索引
  if (c == Bytecodes::_goto_w || c == Bytecodes::_jsr_w) {
    target = stream->dest_w();
  } else {
    target = stream->dest();
  }
  // dp()函数获取JumpData::_data的首地址，然后结合MethodData::_data计算
  // 出JumpData在MethodData::_data的索引值
  int my_di = mdo->dp_to_di(dp()); // 
  // 通过字节码指令的下标索引获取target data index
  int target_di = mdo->bci_to_di(target);
  int offset = target_di - my_di;
  // 将偏移存储到JumpData的displacement_off
  set_displacement(offset);
}

可以看到JumpData中的displacement_off存储的是_data的偏移量，method data pointer其实是指向_data中的某一项ProfileData，偏移 displacement_off 后仍然指向另外一个ProfileData。 

（3）ArgInfoData

DataLayout::_bits=0
DataLayout::_struct._tag=DataLayout::arg_info_data_tag
_header._struct._bci=0

_cells数组的大小为2。在下标为0处的数组中存储的是数组的长度，为1。可以理解为下标索引最大为1。

下面看一下，控制转移指令是如何通过Method::_method_data中的_data属性记录运行时信息的。

ifle指令对应的汇编代码如下：

// 对第1个第2个操作数进行逻辑与，如果为0则ZF设置为0
0x00007fffe101ba07: test %eax,%eax
// 如果大于0则跳转到---- not_taken ----
0x00007fffe101ba09: jg 0x00007fffe101bd69

// 找到Method*并存储到%rcx中
0x00007fffe101ba0f: mov -0x18(%rbp),%rcx
// 找到method data pointer，如果为NULL就直接跳转
0x00007fffe101ba13: mov -0x20(%rbp),%rax
0x00007fffe101ba17: test %rax,%rax
0x00007fffe101ba1a: je 0x00007fffe101ba38

// 根据Method::_method_data获取到JumpData::taken_off_set偏移处属性的值并存储到%rbx中
0x00007fffe101ba20: mov 0x8(%rax),%rbx
// 增加DataLayout::counter_increment，值为1
0x00007fffe101ba24: add $0x1,%rbx
0x00007fffe101ba28: sbb $0x0,%rbx
// 存储回JumpData::taken_off_set偏移处
0x00007fffe101ba2c: mov %rbx,0x8(%rax)

// %rax中存储的是method data pointer
// 根据method data pointer获取JumpData::displacement_off_set偏移处的值
0x00007fffe101ba30: add 0x10(%rax),%rax
// 将%rax中存储的值更新到栈中interpreter_frame_mdx_offset偏向处
0x00007fffe101ba34: mov %rax,-0x20(%rbp)


// ....


// **** not_takne ****


// 如果method data pointer为NULL，就直接跳转到---- profile_continue ----
0x00007fffe101bd69: mov -0x20(%rbp),%rax
0x00007fffe101bd6d: test %rax,%rax
0x00007fffe101bd70: je 0x00007fffe101bd88

// 增加BranchData::not_taken_off_set=2处的值，加1
0x00007fffe101bd76: addq $0x1,0x18(%rax)

// 根据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为0的位置的地址。对于BranchData来说，_cells数组的大小为3，分别存储着JumpData::taken_off_set、JumpData::displacement_off_set和BranchData::not_taken_off_set，所以会详细记录下相关指令的运行时具体数据，非常有利于后续编译器进行高级优化。　　

在介绍goto字节码指令时，调用的TemplateTable::branch()函数中会调用InterpreterMacroAssembler::profile_taken_branch()函数，生成的汇编代码如下：

// 如果开启了选项ProfileInterpreter，则执行分支跳转相关的性能统计

// %rax中保存着mdp（method data pointer）
0x00007fffe101dd14: mov    -0x20(%rbp),%rax
// 如果Method::_method_data的值为NULL，则跳转到---- profile_continue ----
0x00007fffe101dd18: test   %rax,%rax
0x00007fffe101dd1b: je     0x00007fffe101dd39
 
 
// 代码执行到这里时，表示Method::_method_data的值不为NULL
 
// 根据Method::_method_data获取到JumpData::taken_off_set偏移处属性的值并存储到%rbx中
0x00007fffe101dd21: mov    0x8(%rax),%rbx
// 增加DataLayout::counter_increment，值为1
0x00007fffe101dd25: add    $0x1,%rbx
// sbb是带借位减法指令
0x00007fffe101dd29: sbb    $0x0,%rbx
// 存储回JumpData::taken_off_set偏移处
0x00007fffe101dd2d: mov    %rbx,0x8(%rax)
 
 
// %rax中存储的是method data pointer
// 根据method data pointer获取JumpData::displacement_off_set偏移处的值
0x00007fffe101dd31: add    0x10(%rax),%rax
// 将%rax中存储的值更新到栈中interpreter_frame_mdx_offset偏向处
0x00007fffe101dd35: mov    %rax,-0x20(%rbp)

当Method::_method_data不为NULL时，会向MethodData::_data中记录控制转移的次数（注意这里是控制转移的次数，并不是回边的次数）。通过JumpData来记录，这个JumpData已经在MethodData::_data上的对应位置上并且已经进行了初始化，，在DataLayout::initialize()函数中初始化一些常用的属性，然后调用post_initialize()函数完成一些特定属性的初始化，下面看一下JumpData。

程序在使用过程中，经常需要在bci、bcp、method data pointer（栈中interpreter_frame_mdx_offset处存储的就是这个值）、data index。如bci转换为data index的函数如下：

int bci_to_di(int bci) {
  address x = bci_to_dp(bci);
  return dp_to_di(x);
}

首先要通过bci找到method data pointer，调用的函数如下：　　

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) { // 如果进入这个循环，则一定会返回
      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();
  }
　　

将method data pointer转换为data index的函数如下：

int dp_to_di(address dp) {
    return dp - ((address)_data);
}

有时候，当Method::_method_data属性的值不为NULL时需要调用InterpreterRuntime::bcp_to_di()函数将bcp转换为data index，此函数的实现如下：

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

首先调用bci_from()函数获取字节码索引bci，函数的实现如下：

int Method::bci_from(address bcp) const {
  return bcp - code_base();
}

然后调用bci_to_di()函数即可。　

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