在我看来，在单循环的情况下，jit可以选择执行循环展开，因此性能稍微好一些

你用服务器了吗？如果没有，你应该-客户端jit不是一个可预测的，也不是一个好的。如果您真的对到底发生了什么感兴趣，可以使用unlockdiagnostic+logcompilation来检查在这两种情况下（一直到生成的程序集）应用了哪些优化。
另外，从您提供的代码中，我看不出您是否进行了预热，是否为同一个jvm运行了一次或多次测试，是否运行了几次（不同的jvm）。无论你考虑的是最佳时间、平均时间还是中间时间，你都会剔除异常值吗？
下面是一个关于编写java微型基准测试的好链接：http://www.ibm.com/developerworks/java/library/j-jtp02225/index.html
编辑：再来一个微标记提示，当心堆栈上的替换：http://www.azulsystems.com/blog/cliff/2011-11-22-what-the-heck-is-osr-and-why-is-it-bad-or-good

简而言之，cpu可以并行执行合并循环中的指令，使性能加倍。
第二个回路也可能没有得到有效的优化。这是因为第一个循环将触发要编译的整个方法，而第二个循环将在编译时没有任何可能打乱第二个循环计时的度量。我会将每个循环放在一个单独的方法中，以确保不是这样。
cpu可以并行执行大量独立操作（pentium iii的深度为10，xeon的深度为20）。它尝试并行执行的一个操作是一个分支，使用分支预测，但如果不是每次都使用相同的分支。
我怀疑在循环展开的情况下，您的循环看起来更像下面的循环（在本例中可能是更多的循环展开）

for (int i = 0; i < 1000000000; i += 2) {
  // this first block is run almost in parallel
  int t1 = a ^ i;
  int t2 = b ^ i;
  int t3 = a ^ (i+1);
  int t4 = b ^ (i+1);
  // this block run in parallel
  if (t1 > aMax) aMax = t1;     
  if (t2 > bMax) bMax = t2;     
  if (t3 > aMax) aMax = t3;     
  if (t4 > bMax) bMax = t4;     
}

如果不运行预热阶段，可能会对第一个循环进行优化和编译，但不会对第二个循环进行优化和编译，而在合并它们时，会编译整个合并的循环。另外，使用 server 选项和您的代码，大多数得到优化了，因为你不使用结果。
我已经运行了下面的测试，将每个循环以及合并的循环放在它们自己的方法中，并预热jvm以确保所有内容都得到编译。
结果（jvm选项： -server -XX:+PrintCompilation ):
回路1=500ms
回路2=900 ms
合并回路=1300 ms
所以合并的循环稍微快一点，但没有那么多。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        loop1();
        loop2();
        loopBoth();
    }

    long start = System.nanoTime();

    loop1();

    long end = System.nanoTime();
    System.out.println((end - start) / 1000000);

    start = System.nanoTime();
    loop2();
    end = System.nanoTime();
    System.out.println((end - start) / 1000000);

    start = System.nanoTime();
    loopBoth();
    end = System.nanoTime();
    System.out.println((end - start) / 1000000);
}

public static void loop1() {
    int a = 188, aMax = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        int t = a ^ i;
        if (t > aMax) {
            aMax = t;
        }
    }
    System.out.println(aMax);
}

public static void loop2() {
    int b = 144, bMax = 0;
    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        int t = b ^ i;
        if (t > bMax) {
            bMax = t;
        }
    }
    System.out.println(bMax);
}

public static void loopBoth() {
    int a = 188, b = 144, aMax = 0, bMax = 0;

    for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
        int t = a ^ i;
        if (t > aMax) {
            aMax = t;
        }
        int u = b ^ i;
        if (u > bMax) {
            bMax = u;
        }
    }
    System.out.println(aMax);
    System.out.println(bMax);
}