Progetto e realizzazione di un ambiente di ottimizzazione del bytecode Java

Dal momento della sua nascita nel 1994, la tecnologia Java ha subito molti mutamenti sull’onda dello straordinario sviluppo delle reti di computer, ma questa gigantesca evoluzione, a causa probabilmente del suo stesso successo, ha tralasciato alcuni aspetti più specifici quali le ottimizzazioni.
Il merito principale di Java è la capacità di integrare alcune delle migliori tecnologie esistenti nell’ingegneria del software e renderle disponibili in un comune ambiente di programmazione, contribuendo ad allargare la gamma di servizi che le persone, anche non esperte, possono ricevere dai sistemi informatici, dai data base multimediali, dalla telefonia e dalle più flessibili reti di calcolatori. Tutto ciò ha un costo, che si paga con la perdita di prestazioni rispetto alle altre piattaforme dedicate.
Il processo di innovazione, comunque, non deve essere controllato o fermato per focalizzare l’attenzione solamente sulle prestazioni di Java. Certamente però è ormai opportuno, come già suggerito da altri autori, rielaborare alcune delle caratteristiche e delle strutture dell’ambiente Java, in modo da compensare rapidamente le lacune rispetto alle soluzioni più tradizionali. Si corre altrimenti il rischio di sviluppare un prodotto per il domani non utilizzabile oggi e, nel mondo in continua evoluzione delle tecnologie informatiche, questa è una scommessa perdente.
Sebbene Java abbia mosso i primi passi per poche applicazioni fortemente dedicate, come ad esempio i dispositivi domestici intelligenti o le popolari applets presenti su Internet, attualmente viene utilizzato per una gamma più ampia di applicazioni, che vanno dalle reti di calcolatori fino ai dispositivi personali.
Al momento sono disponibili in commercio quattro ambienti: Java Appication Environment (JAE) per elaborazioni generali, Personal Java per sistemi di comunicazione personali, Embedded Java e Java Card per applicazioni su schede intelligenti. Questi forniscono strumenti differenti, più o meno complessi in termini di ambiente di sviluppo (API e strumenti dedicati, etc) e di sistema di esecuzione (garbage collection, multithreading, security, etc) a seconda delle caratteristiche della piattaforma sottostante. Il presente scenario coinvolge anche quattro diversi approcci all’esecuzione dei bytecode: interpreti, compilatori Just In Time (JIT), compilatori Way Ahead of Time (WAT) e Java Silicon Machine (JSM) sono tutte piattaforme che forniscono soluzioni diverse all’implementazione delle specifiche Java Virtual Machine (JVM). Tuttavia, data la varietà del codice applicativo e delle macchine esistenti, non si può indicare ancora un ambiente di esecuzione che rappresenti la soluzione migliore in ogni contesto.
Anche considerando questa crescente varietà di ambienti, è ragionevole pensare che debba necessariamente partire un processo di rielaborazione basato una seria analisi dell’implementazione delle caratteristiche del linguaggio, che sono le fondamenta dei programmi. A questo proposito le istruzioni di invocazione dei metodi, un punto critico specialmente per i linguaggi orientati agli oggetti, non sono ancora state sufficientemente indicate in letteratura come possibile elemento da cui ottenere migliori prestazioni. Il polimorfismo, caratteristica essenziale della programmazione orientata agli oggetti, è reso possibile dal meccanismo del late binding, che collega dinamicamente il codice invocato in conformità al tipo runtime dell’oggetto destinatario. Questa procedura di collegamento, solitamente realizzata riferendosi alle virtual function tables (method tables in Java), coinvolge l’identificazione, a tempo di esecuzione, del tipo reale del destinatario in modo da saltare al codice corrispondente. Ciò impedisce ottimizzazioni interprocedurali da parte del compilatore a causa dell’incertezza circa il codice che segue ogni sito di invocazione virtuale.
Il meccanismo del late binding indebolisce le prestazioni del moderno hardware. La tendenza della ricerca nelle architetture dei computer e le nuove caratteristiche dei linguaggi di programmazione sono infatti in rotta di collisione. I moderni microprocessori espongono una quantità sempre maggiore di dettagli implementativi al compilatore, come ad esempio l’organizzazione in pipeline, la gerarchia di memoria e il parallelismo delle unità funzionali. Il compilatore deve poter predire il flusso di esecuzione dei programmi per sequenze il più ampie possibili, in modo da sfruttare le potenzialità dei microprocessori nella capacità di eseguire più istruzioni contemporaneamente e nella capacità di predizione dei salti da effettuare. Quest’ultimo fatto acquista molta importanza poichè i salti condizionati indiretti, sono più difficili da predire dei salti diretti (percentuale di predizione corretta del 95% dei diretti contro il 60% degli indiretti), e, sebbene avvengano meno frequentemente, possono avere un impatto negativo sulle prestazioni.