如何编写（测试）代码，使编译器/JIT不进行优化？

Question

我对编译器和JIT优化的内部机制并不了解，但通常我会尝试使用“常识”来猜测哪些可以被优化，哪些不能。所以今天我写了一个简单的单元测试方法：

@Test  // [Test] in C#
public void testDefaultConstructor() {
    new MyObject();
}

这个方法实际上是我需要的。它检查默认构造函数是否存在并且能够正常运行，但是我开始考虑编译器/JIT优化的影响。编译器/JIT是否可以通过完全消除new MyObject();语句来优化此方法？当然，它需要确定调用图没有对其他对象产生副作用的情况，这是普通构造函数的典型情况，它只是初始化对象的内部状态。

我认为只有JIT能够执行这种优化。这可能意味着我不必担心，因为测试方法只执行一次。我的假设正确吗？

尽管如此，我仍在思考这个一般性的主题。当我考虑如何防止此方法被优化时，我想我可以 assertTrue(new MyObject().toString() != null)，但这非常依赖于toString()方法的实际实现，即使如此，JIT也可能确定toString() 方法始终返回非空字符串（例如，如果实际上调用了Object.toString()），从而优化整个分支。所以这种方式行不通。

我知道在C＃中，可以使用[MethodImpl(MethodImplOptions.NoOptimization)]，但这不是我真正寻找的。我希望找到一种（与语言无关的）方法，以确保我的代码的某些特定部分将按照我期望的那样运行，而不会被JIT干扰这个过程。

此外，在创建单元测试时，还有哪些典型的优化情况应该注意？

非常感谢！

- Hosam Aly

Answer 1

我认为，如果你担心它会被优化掉，可能意味着你正在进行过度测试。

在静态语言中，我倾向于将编译器视为一种测试。如果通过了编译，那么就意味着某些东西存在（比如方法）。如果你没有另一个测试来测试默认构造函数（这将证明它不会抛出异常），你可能需要考虑为什么首先要编写该默认构造函数（YAGNI等等）。

我知道有人不同意我的看法，但我觉得这种东西只会因无用的原因而增加你的测试数量，即使从TDD角度看也是如此。

- Matt Briggs

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我同意你的看法。在阅读了你的回答后，我认为如果这个测试更重要，不仅仅是一个“编译”测试，那么肯定会有其他测试使用默认构造函数。感谢您的答复！ - Hosam Aly

在像Java这样的语言中，编译和执行环境可能会有很大的差异。如果正在构建的类与测试代码分开存放，那么进行这样的测试可能是有意义的。特别有趣的是，使用自定义类加载器从某种形式的动态存储中实时加载类 - 这段代码将确保查找实际上是有效的。 - Sam Harwell

Answer 2

不用担心，永远不允许优化任何可能对系统产生影响的东西（除了速度）。如果你新建一个对象，会调用代码，分配内存，必须保证它能工作。

如果你使用if(false)来保护它，其中false是一个final常量，那么它就可以被完全优化出系统，然后检测到该方法不起作用并将其优化掉（理论上）。

另外，它还可以聪明地确定这个方法：

newIfTrue(boolean b) {
    if(b)
        new ThisClass();
}

如果 b 为假，则始终不执行操作，并最终发现在代码的某个点 B 总是为假，从而完全将此例程编译出该代码。

这就是 JIT 能够完成的几乎不可能在任何非托管语言中实现的东西。

- Bill K

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谢谢。我想知道JIT为什么会这样做？如果一个对象分配是无用的（在某些情况下可以通过静态分析确定），为什么JIT不会进行优化呢？ - Hosam Aly

我现在可以想到一个边角情况，但我认为这种情况很少见。例如，如果对象分配是为了确保某些其他对象有足够的内存可用（甚至确保不会发生分页），那么优化将使假设无效。 - Hosam Aly

需要将Java虚拟机（JVM）保持在一致的状态，以便程序代码按照Java内存模型在JVM中执行。如果JIT可以证明代码对可观察的程序状态没有影响，则不需要实际执行任何特定代码或分配内存。 - Sam Harwell

是的，它必须像执行代码一样准确地运行，因此如果它经过优化而执行任何不同的内容，则担心毫无意义... - Bill K

Answer 3

JIT 只能执行不影响语言保证语义的操作。理论上，如果 JIT 能够保证调用没有副作用并且永远不会抛出异常（不包括 OutOfMemoryError），则可以删除对 MyObject 构造函数的分配和调用。
换句话说，如果 JIT 优化掉了你测试中的调用，那么你的测试仍然会通过。
注：这适用于你正在进行的是功能测试而非性能测试。在性能测试中，确保 JIT 不会优化你正在测量的操作很重要，否则你的结果将变得无用。

- Sam Harwell

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对于这个话题有很好的见解。还有一个补充：当使用性能测试来测试功能时（例如，尝试确定CPU缓存大小），我们应该明确添加 [MethodImpl(MethodImplOptions.NoOptimization)] 以避免JIT做出一些技巧。 - M. Mimpen

Answer 4

换个角度看：

假设编译器能够确定调用图没有任何副作用（我认为这是不可能的，模糊地记得我的计算机科学课上有关P = NP的内容）。它将优化没有副作用的任何方法。 由于大多数测试都没有并且不应该有任何副作用，因此编译器可以将所有这些测试都优化掉。

- Alex Reitbort

Answer 5

看起来在C#中我可以这样做：

[Test]
public void testDefaultConstructor() {
    GC.KeepAlive(new MyObject());
}

据我所知，GC.KeepAlive方法不会被JIT内联，因此代码将保证按预期工作。但是，我不知道Java中是否有类似的结构。

- Hosam Aly

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-1：具有误导性。这并不是需要使用GC.KeepAlive（甚至根本没有任何好处）的情况。 - Sam Harwell

Answer 6

每个I/O操作都是一个副作用，所以你可以直接放置。

Object obj = new MyObject();
System.out.println(obj.toString());

而且你没问题。

- quant_dev

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是的，这确实是一种方法。但单元测试通常不应该有输出语句。 - Hosam Aly

我认为只要你不依赖于I/O来确定测试是否通过，那么就没问题。 - quant_dev

-1：误导性的。没有I/O他也能做得很好。这个答案让人觉得这种形式的单元测试需要I/O才能保证正确性。 - Sam Harwell

Answer 7

为什么这很重要呢？如果编译器/即时编译器可以静态确定不会遇到任何断言（可能会导致副作用），那么你就没问题了。

- MichaelGG

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还需要验证构造函数是否存在，不会影响静态程序状态，并且不能抛出 JVM 隐式要求的异常，例如 NullPointerException。 - Sam Harwell