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Java中,一个存在十几年的bug…

今天,分享一个JDK中令人惊讶的BUG,这个BUG的神奇之处在于,复现它的用例太简单了,人肉眼就能回答的问题,JDK中却存在了十几年。经过测试,我们发现从JDK8到14都存在这个问题。

大家可以在自己的开发平台上试试这段代码:

public class Hello {  
    public void test() {  
        int  i = 8;  
        while  ((i -= 3) > 0);  
        System.out.println("i = " + i);  
    }  
  
    public static void main(String[] args{  
        Hello hello = new Hello();  
        for (int  i = 0; i < 50_000; i++) {  
            hello.test();  
        }  
    }  
}  

再使用以下命令执行:
java Hello

然后,就会看到这样的输出:

Java中,一个存在十几年的bug...

当然,在程序的开始阶段,还是能打印出正确的”i = -1″。

这个问题最终Huawei JDK的两名同事解决掉了,并且回合到社区。我这里大概讲一下分析的思路。关注微信公众号:Java技术栈,在后台回复:java,可以获取我整理的 N 篇最新 Java 教程,都是干货。

首先,使用解释执行可以发现,结果都是正确的,这就说明,这基本上是JIT编译器的问题,然后通过-XX:-TieredCompilation关闭C1编译,问题同样复现,但是使用-XX:TieredStopAtLevel=3将JIT编译停留在C阶段,问题就不复现,这可以确定是C2的问题了。

接下来,一名同事立即猜想到这个”/”其实是(‘0’-1),刚好是字符零的ascii码减掉1。嗯,熟记ascii码表的重要性就体现出来了。接下来,就是找到c2中 int 转字符的地方。关键点,就在于这个字符’0’,当然这里要对C2有足够的了解,马上就找到c2中字符转化的方法(具体的代码 ,请参考OpenJDK社区):

void PhaseStringOpts::int_getChars(GraphKit& kit, Node* arg, Node* char_array, Node* start, Node* end) {  
  // ......  
  // char sign = 0;  
  
  Node* i = arg;  
  Node* sign = __ intcon(0);  
  
  // if (i < 0) {  
  //     sign = '-';  
  //     i = -i;  
  // }  
  {  
    IfNode* iff = kit.create_and_map_if(kit.control(),  
                                        __ Bool(__ CmpI(arg, __ intcon(0)), BoolTest::lt),  
                                        PROB_FAIR, COUNT_UNKNOWN);  
  
    RegionNode *merge = new (C) RegionNode(3);  
    kit.gvn().set_type(merge, Type::CONTROL);  
    i = new (C) PhiNode(merge, TypeInt::INT);  
    kit.gvn().set_type(i, TypeInt::INT);  
    sign = new (C) PhiNode(merge, TypeInt::INT);  
    kit.gvn().set_type(sign, TypeInt::INT);  
  
    merge->init_req(1, __ IfTrue(iff));  
    i->init_req(1, __ SubI(__ intcon(0), arg));  
    sign->init_req(1, __ intcon('-'));  
    merge->init_req(2, __ IfFalse(iff));  
    i->init_req(2, arg);  
    sign->init_req(2, __ intcon(0));  
  
    kit.set_control(merge);  
  
    C->record_for_igvn(merge);  
    C->record_for_igvn(i);  
    C->record_for_igvn(sign);  
  }  
  
  // for (;;) {  
  //     q = i / 10;  
  //     r = i - ((q << 3) + (q << 1));  // r = i-(q*10) ...  
  //     buf [--charPos] = digits [r];  
  //     i = q;  
  //     if (i == 0) break;  
  // }  
  
  {  
   // 略去和这个循环相对应的代码   
  }  
  
  // 略去很多代码   
}  

可以看到,这里在中间表示阶段引入了一个“i < 0″的判断。主要就是那个CmpI结点,看起来这里的逻辑走错了,导致 i 明明小于0,结果却走到了大于0的分支,这样,直接拿字符’0’与i求和的结果,就是错的了。

那这个CmpI为什么会错呢?使用c2visualizer工具可以看到,在GVN阶段,上面循环中的CmpI和这里引入的CmpI被合并了。GVN的全称是Global Value Numbering,名字很高大上,其实就是表达式去重。例如:

Java中,一个存在十几年的bug...

上面的例子中,两个 CmpI 的输入参数是完全相同的。都是变量 i 和整数 0,那么,这两个CmpI 结点其实就是完全相同的。这样的话,编译器在做中间优化的时候就会把这两个CmpI结点合并成一个。

到这里为止,其实还是没问题的。但接下来,编译器会对空的循环体做一些特别的变换,编译器能直接计算出空循环体结束以后,i 的值是 -1,又发现空循环体什么都不做,所以,它干脆把CmpI的两个参数都换成了 -1,以便于让循环走不进来——而且,编译器再做一次常量传播就可以把这个CmpI彻底干掉了。

但是,这里CmpI就有问题了,这里强行搞成 False 让循环不执行,并且把 i 的值也直接变成循环结束的那个值。但刚才合并的那个CmpI 也被吃掉了。

这就导致,直接拿着 i = -1 这个值进到了 i >= 0 的分支里了。所以修改也很简单,那就是在对CmpI变换的时候,看看它还有没有其他的out,如果有,就复制一份出来。

这个BUG的相关issue和patch在这里:

https://bugs.openjdk.java.net/projects/JDK/issues/JDK-8231988?filter=allissues

JBS系统上没有详细的分析过程,只有最后的patch,所以我把这个问题写了个总结发在这里。可以看到,即使是很简单的测试用例,在编译器内部也会经历各种复杂的变换和优化。然后一些阶段的优化可能会影响后一个阶段的,所以编译器的BUG也往往晦涩。但反过来说,也很有意思。

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