逃逸分析

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在编译程序优化理论中,逃逸分析是一种确定指针动态范围的方法——分析在程序的哪些地方可以访问到指针。它涉及到指针分析和形状分析。

当一个变量(或对象)在子程序中被分配时,一个指向变量的指针可能逃逸到其它执行线程中,或是返回到调用者子程序。如果使用尾递归优化(通常在函数编程语言中是需要的),对象也可以看作逃逸到被调用的子程序中。如果一种语言支持第一类型的延续性在Scheme和Standard ML of New Jersey中同样如此),部分调用栈也可能发生逃逸。

如果一个子程序分配一个对象并返回一个该对象的指针,该对象可能在程序中被访问到的地方无法确定——这样指针就成功“逃逸”了。如果指针存储在全局变量或者其它数据结构中,因为全局变量是可以在当前子程序之外访问的,此时指针也发生了逃逸。

逃逸分析确定某个指针可以存储的所有地方,以及确定能否保证指针的生命周期只在当前进程或线程中。

优化[编辑]

编译器可以使用逃逸分析的结果作为优化的基础:[1]

  • 将堆分配转化为栈分配。如果某个对象在子程序中被分配,并且指向该对象的指针永远不会逃逸,该对象就可以在分配在栈上,而不是在堆上。在有垃圾收集的语言中,这种优化可以降低垃圾收集器运行的频率。
  • 同步消除。如果发现某个对象只能从一个线程可访问,那么在这个对象上的操作可以不需要同步。
  • 分离对象或标量替换。如果某个对象的访问方式不要求该对象是一个连续的内存结构,那么对象的部分(或全部)可以不存储在内存,而是存储在CPU寄存器中。

实际问题[编辑]

在面向对象的编程语言中,动态编译器特别适合使用逃逸分析。在传统的静态编译中,方法重写使逃逸分析变得不可能,任何调用方法可能被一个允许指针逃逸的版本重写。动态编译器可以使用重载信息来执行逃逸分析,并且当相关方法被动态代码加载重写时,会重新执行分析。[1]

Java编程语言的流行使得逃逸分析成为一个研究热点。Java的堆分配、内置线程和Sun HotSpot动态编译器的结合创建了一个关于逃逸分析优化的候选平台。逃逸分析最早是在Java标准版6中实现的。

例子 (Java)[编辑]

class Main {   
  public static void main(String[] args) {     
    example();   
  }   
  public static void example() {     
    Foo foo = new Foo(); //alloc     
    Bar bar = new Bar(); //alloc     
    bar.setFoo(foo);   
  }
}  
class Foo {}  
class Bar {   
  private Foo foo;   
  public void setFoo(Foo foo) {     
    this.foo = foo;   
  }
}

在这个示例中,创建了两个对象(用alloc注释),其中一个作为方法的参数。方法setFoo()接收到foo参数后,保存Foo对象的引用。如果Bar对象保存在堆中,那么Foo的引用将逃逸。但在这种情况下,编译器可以使用逃逸分析确定Bar对象本身并没有逃逸example()的调用。这意味着Foo引用无法逃逸。因此,编译器可以安全地在栈上分配两个对象。

例子(Scheme)[编辑]

在接下来的例子中,向量p不逃入g,所以它可以分配在栈上,然后在调用g之前从栈中删除。

(define (f x)
    (let ((p (make-vector 10000)))
       (fill-vector-with-good-stuff p)
       (g (vector-ref p 7023))))

然而,如果有

(define (f x)
    (let ((p (make-vector 10000)))
       (fill-vector-with-good-stuff p)
       (g p)))

然后p需要分配在堆上或(如果当f被编译时,编译器知道g )分配在栈上,如此需要做出改变,即在g被调用时,可以保持g。 如果延续(continuations)被用于实现异常控制结构,逃逸分析通常可以发现以避免必须分配一个延续(continuation)并复制调用栈。例如,在

;;读取用户输入的scheme对象。如果所有的数字,
;;返回一个列表,有序包含所有。如果用户输入一个
;;不是一个数字,立即返回#f。
(define (getnumlist)
   (call/cc (lambda (continuation)
     (define (get-numbers)
        (let ((next-object (read)))
           (cond
              ((eof-object? next-object) '())
              ((number? next-object) (cons next-object (get-numbers)))
              (else (continuation #f)))))
     (get-numbers))))

逃逸分析确定,被call/cc捕获的continuation不会逃逸,所以没有continuation结构需要被分配,唤醒continuation可以通过删除栈来实现。

参考资料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 T. Kotzmann and H. Mössenböck, “Escape analysis in the context of dynamic compilation and deoptimization,” in Proceedings of the 1st ACM/USENIX international conference on Virtual execution environments, New York, NY, USA, 2005, pp. 111–120.