中間表達形式
編譯器通常被劃分為前端編譯器和后端編譯器兩個部分。前端編譯器負責對源代碼進行詞法分析、語法分析和語義分析，生成中間表達形式（Intermediate Representation ，IR）。這種由前端生成的IR被稱為高級中間表達形式（High Intermediate Representation，HIR），其優化主要與源代碼本身的特性有關。
后端后端編譯器則將HIR轉換為低級中間表達形式（Low Intermediate Representation，LIR），并進行進一步的優化。這種優化主要與目標機器的硬件特性有關。最終，LIR會被翻譯成目標機器代碼。
在不考慮解釋執行的情況下，源代碼到最終機器碼的轉換過程通常包括兩個編譯階段：
1）Java編譯器（如javac）將源代碼編譯成字節碼；
2）即時編譯器將字節碼編譯成機器碼。
對于即時編譯器，字節碼直接被視為一種IR，是Java虛擬機的通用“語言”。它結構化、平臺無關，但對于進行復雜的全局優化而言，其基于棧的指令格式和較為緊湊的表示方式并不總是最理想的。
因此，當即時編譯器（如C1或C2）開始工作時，它首先會將輸入的字節碼轉換為其內部更適合分析和優化的IR。現代編譯器通常采用圖結構的IR，其中靜態單賦值（Static Single Assignment，SSA）IR是一種常用的IR特性，它要求每個變量只被賦值一次。SSA形式極大地簡化了許多優化算法的實現，如常量傳播、死代碼消除、公共子表達式消除、寄存器分配等。
HotSpot C2編譯器采用一種稱為Sea of Nodes（節點之海）的高度優化的圖IR，它就是基于SSA的。這種IR將程序表示為數據流圖和控制流圖的結合，節點代表操作，邊代表數據流或控制依賴。它允許進行非常自由和強大的代碼變換和優化。
總結來說，從Java源代碼到最終在處理器上執行的機器碼，如果排除純解釋執行，大致經歷以下IR轉換：
源代碼 ->（javac）->Java字節碼 ->（即時編譯前端） ->即時編譯內部HIR （如SSA圖） ->（即時編譯中端優化） ->即時編譯內部LIR ->（即時編譯后端） ->目標機器碼。

機器無關的編譯優化
編譯優化的方法主要可以分為機器無關與機器相關的優化。
1）機器無關的優化與硬件特征無關，比如把常數值在編譯期計算出來（常數折疊）。
2）機器相關的優化則需要利用某硬件特有的特征，比如 SIMD 指令等。

值編號
值編號（Value numbering）用于消除冗余的計算。編譯器通過跟蹤每個計算的值，如果發現兩個計算的值相同，就可以將其中一個計算替換為另一個計算的結果。

// 值編號前的代碼
int a = 5;
int b = 10;
int c = a + b;
int d = a + b;


// 值編號后的代碼
int a = 5;
int b = 10;
int c = a + b;
int d = c;

常數折疊
常量折疊（Constant folding）通過在編譯時計算常數表達式的值，將這些表達式替換為它們的計算結果。

// 常量折疊前的代碼
int a = 5 * 10;


// 常量折疊后的代碼
int a = 50;

常數傳播
常數傳播（Constant oropagation）它通過分析代碼中的常數賦值和使用，將常數值直接傳播到使用它們的表達式中。

// 常量傳播前的代碼
int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;


// 常量傳播后的代碼
int c = 10 + 20;

死代碼消除
死代碼消除（Dead Code Elimination）旨在移除程序中不會影響最終結果的代碼，減少程序的大小。

// 死代碼消除前的代碼
int a = 10;
int b = 20;
int c = a + b;  // 這行代碼是死代碼，因為 c 沒有被使用
if (a > 5) {
    print("a is greater than 5");
}
int d = 30;  // 這行代碼是死代碼，因為 d 沒有被使用


// 死代碼消除后的代碼
int a = 10;
if (a > 5) {
    print("a is greater than 5");
}

公共子表達式消除
公共子表達式消除（Common subexpression elimination，CSE）通過識別并消除重復的子表達式，避免在運行時多次計算相同的子表達式。

// 公共子表達式消除前的代碼
int a = x * y;
int b = x * y;


// 公共子表達式消除后的代碼
int a = x * y;
int b = a;

null判斷消除
null判斷消除（Null check elimination）通過在編譯時分析代碼，確定某些引用不可能為null，從而消除不必要的null檢查。

// null判斷消除前的代碼
String str = "Hello, World!";
 // Null檢查
if (str != null) {
    System.out.println(str);
}    

 
// null判斷消除后的代碼
// 編譯器可以確定str不可能為null，從而消除null檢查
String str = "Hello, World!";
System.out.println(str);

邊界檢查消除
邊界檢查消除（Bounds check elimination）通過在編譯時分析代碼，判斷數組訪問是否越界，從而在運行時避免不必要的邊界檢查。

// 邊界檢查消除前的代碼
// for循環中的數組訪問array[i]需要進行邊界檢查
int[] array = new int[10];
for (int i = 0; i < array.length; i++) {
  array[i] = i * 2;
}

 
// 邊界檢查消除后的代碼
// 編譯器消除了for循環中的邊界檢查，因為它可以在編譯時確定i的值不會越界
int[] array = new int[10];
for (int i = 0; i < 10; i++) {
  array[i] = i * 2;
}

循環展開
循環展開（Loop unrolling）通過減少循環次數并在每次循環中執行更多的操作，以減少循環控制開銷。同時它還會增加一個基本塊中的指令數量，從而為指令排序的優化算法創造機會。在循環展開的基礎上，可以實現把多次計算優化成一個向量計算。

// 循環展開前的代碼
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 10; i++) {
  sum += i;
}


// 循環展開后的代碼
// 優化后將循環次數減少到了5次
int sum = 0;
for (int i = 1; i <= 10; i += 2) {
  sum += i;
  sum += i + 1;
}

未完待續

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