Java JIT在运行JDK代码时是否作弊？

Question

我正在对一些代码进行基准测试，但即使使用完全相同的算法，我也无法像使用java.math.BigInteger那样运行得快。因此，我将java.math.BigInteger源代码复制到我的程序包中，并尝试了以下操作：

//import java.math.BigInteger;

public class MultiplyTest {
    public static void main(String[] args) {
        Random r = new Random(1);
        long tm = 0, count = 0,result=0;
        for (int i = 0; i < 400000; i++) {
            int s1 = 400, s2 = 400;
            BigInteger a = new BigInteger(s1 * 8, r), b = new BigInteger(s2 * 8, r);
            long tm1 = System.nanoTime();
            BigInteger c = a.multiply(b);
            if (i > 100000) {
                tm += System.nanoTime() - tm1;
                count++;
            }
            result+=c.bitLength();
        }
        System.out.println((tm / count) + "nsec/mul");
        System.out.println(result); 
    }
}

当我在MacOS上运行此代码（jdk 1.8.0_144-b01），它会输出：

12089nsec/mul
2559044166

当我取消注释import语句并运行它时：

4098nsec/mul
2559044166

如果使用JDK版本的BigInteger，即使使用完全相同的代码，速度也比使用我的版本快近三倍。

我已经使用javap检查了字节码，并比较了在使用选项运行时的编译器输出。

-Xbatch -XX:-TieredCompilation -XX:+PrintCompilation -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions 
-XX:+PrintInlining -XX:CICompilerCount=1

两个版本似乎都生成了相同的代码。那么，热点是否使用了我不能在我的代码中使用的某些预计算优化？我一直以为它们不会这样做。是什么解释了这种差异呢？

- Koen Hendrikx

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有趣。

1. 结果是否一致（或仅仅是幸运的随机结果）？
2. 您能否在JVM预热后再试一次？
3. 您能否消除随机因素并为测试提供相同的数据集作为输入？

- jmj

你是否尝试使用JMH（http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/）来运行你的基准测试？手动正确地进行测量并不容易（需要预热等等）。 - Roman Puchkovskiy

是的，它非常一致。如果我让它运行10分钟，仍然会得到相同的差异。固定的随机种子确保两次运行获得相同的数据集。 - Koen Hendrikx

您可能仍然需要 JMH，以防万一。您应该将修改后的 BigInteger 放在某个地方，以便其他人可以重现您的测试并验证您运行的代码与您认为的相同。 - pvg

Answer 1

HotSpot JVM“作弊”，因为它有一些特殊版本的BigInteger方法，你在Java代码中找不到这些方法。这些方法称为JVM intrinsics。

特别地，BigInteger.multiplyToLen是HotSpot中的内部方法。在JVM源代码库中有一个特殊的手写汇编实现，但仅适用于x86-64架构。

您可以使用-XX：-UseMultiplyToLenIntrinsic选项禁用此内部方法，以强制JVM使用纯Java实现。在这种情况下，性能将类似于复制代码的性能。

P.S.这里是其他HotSpot内置方法的列表。

- apangin

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为什么用户相同的Java代码没有被替换为相同的内置函数？这个内置函数只适用于JVM中的特定方法吗？ - President James K. Polk

@PresidentJamesK.Polk Java代码并不重要，它仅用于解释器。内置函数的整个重点是忽略方法中的Java代码，而是使用JVM内置实现。有一个硬编码的方法名称列表（带有类名），这些方法将被替换。如果您重命名类或方法，则不再会进行内部化处理。 - apangin

哇，我不知道为什么我之前不知道这个。看到那些方法列表，我终于理解了一些关于Java性能的东西，特别是原子方法。谢谢。 - President James K. Polk

我认为值得注意的是，根据你提供的链接，内置函数的数量相对较少。它们主要用于Class、数学、低级位操作和一些密码学相关的功能。 - undefined

Answer 2

在 Java 8 中，这确实是一种内置方法；这是该方法的稍微修改后的版本：

 private static BigInteger test() {

    Random r = new Random(1);
    BigInteger c = null;
    for (int i = 0; i < 400000; i++) {
        int s1 = 400, s2 = 400;
        BigInteger a = new BigInteger(s1 * 8, r), b = new BigInteger(s2 * 8, r);
        c = a.multiply(b);
    }
    return c;
}

使用以下方式运行：

 java -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions  
      -XX:+PrintInlining 
      -XX:+PrintIntrinsics 
      -XX:CICompilerCount=2 
      -XX:+PrintCompilation   
       <YourClassName>

这将打印出许多行文字，其中之一是：

 java.math.BigInteger::multiplyToLen (216 bytes)   (intrinsic)

然而，在Java 9中，该方法似乎不再是内置的，相反它调用了一个内置的方法：

 @HotSpotIntrinsicCandidate
 private static int[] implMultiplyToLen

因此，在Java 9下运行相同的代码（使用相同的参数）将显示：

java.math.BigInteger::implMultiplyToLen (216 bytes)   (intrinsic)

在方法下面，其实是相同的代码 - 只是命名略有不同。

- Eugene