信也のブログ

Javaにおけるthisキーワードがコンパイル時定数伝播最適化を無効化する問題について

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名前が少し長くなりましたが、これはなかなか興味深い問題です。以下のコードをご覧ください。

public class Test {
    final static String s = "a";

    public void test() {
        String cmp = "ab";
        String ab1 = s + "b";
        String ab2 = this.s + "b";
        System.out.println(ab1 == cmp);
        System.out.println(ab2 == cmp);
    }

    public static void main(String[] args) {
        new Test().test();
    }
}

まずは出力結果を予想してみましょう。7 行目の sと 8 行目のthis.sはどちらも同じ final 静的変数s を指しています。結果がわからなくても、この 2 つの出力は同じになるはずだと思うでしょう。しかし、実際の出力は以下の通りです。

true
false

次に、javapを使って生成されたバイトコードを逆アセンブルし、test() メソッド部分を見てみましょう。

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #7                  // String ab
         2: astore_1
         3: ldc           #7                  // String ab
         5: astore_2
         6: aload_0
         7: pop
         8: ldc           #11                 // String a
        10: invokedynamic #13,  0             // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
        15: astore_3
        16: getstatic     #17                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        19: aload_2
        20: aload_1
        21: if_acmpne     28
        24: iconst_1
        25: goto          29
        28: iconst_0
        29: invokevirtual #23                 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
        32: getstatic     #17                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        35: aload_3
        36: aload_1

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #7                  // String ab
         2: astore_1
         3: ldc           #7                  // String ab
         5: astore_2
         6: aload_0
         7: pop
         8: ldc           #11                 // String a
        10: invokedynamic #13,  0             // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
        15: astore_3
        16: getstatic     #17                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        19: aload_2
        20: aload_1
        21: if_acmpne     28
        24: iconst_1
        25: goto          29
        28: iconst_0
        29: invokevirtual #23                 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
        32: getstatic     #17                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        35: aload_3
        36: aload_1
        37: if_acmpne     44
        40: iconst_1
        41: goto          45
        44: iconst_0
        45: invokevirtual #23                 // Method java/io/PrintStream.println:(Z)V
        48: return

定数プールの #7 は以下の通りです。

   #7 = String             #8             // ab
   #8 = Utf8               ab

まず最初の true についてですが、これは多くの方が理由を知っているはずです。コンパイラはソースコードをクラスのバイトコードに変換する際、メソッド内で使われている final 定数をリテラルに置き換えます。したがって、Java コードの 6 行目のString ab1 = s + "b";はString ab1 = "a" + "b";となり、さらに ab1 は 2 つのリテラルを直接連結しているため、コンパイラが連結を行い、最終的にこの文はString ab1 = "ab";と同等になります。よって、cmpと ab1 は共に定数プールの”ab”文字列を指しているため、cmp == ab1は true になります。逆アセンブルしたバイトコードの 0 行目と 3 行目は全く同じで、ldc（Load Constant）の引数はどちらも #7 です。

バイトコードの 8 行目から 15 行目は ab2の文字列準備の過程ですが、ここでは動的メソッド呼び出しが行われており、makeConcatWithConstants というメソッドが呼ばれています。これは Java のブートストラップメソッドで、Java の文字列の「+」連結を処理するためのものです。このメソッドはヒープ上に新しい文字列オブジェクトを生成するため、ab2 != cmpとなる原因です。

ちなみに、makeConcatWithConstantsは JDK9 で導入され、文字列の「+」操作を処理するために使われています。JDK8 以前は、javacは StringBuilder クラスを使って処理していました。

では、この差異を引き起こしている原因は何でしょうか？明らかに問題は thisキーワードにあります。Java はコンパイル時に、すべてのメンバメソッドに現在のインスタンスを指す参照thisを暗黙的に追加します。このthisはバイトコード上ではメソッドの引数として渡されます。これが、引数なしのvoid()メソッドであってもバイトコードのargs_sizeが 1 になっている理由です。オブジェクト参照の変数（クラス変数でもメンバ変数でも）に対して、Java コンパイラは単純にこの最適化を適用しません。もしここでthis.sをTest.sに変更すると、出力はtrue になります。

試行錯誤 java