JVM--12---执行引擎----解释器、JIT 编译器

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执行引擎

执行引擎属于 JVM 的下层，里面包括解释器、及时编译器、垃圾回收器

• 解释器
• 及时编译器
• 垃圾回收器
  
• “虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

JVM 的主要任务

• JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM 所识别的字节码指令、符号表，以及其他辅助信息。
  
• 那么，如果想要让一个 Java 程序运行起来，执行引擎（Execution Engine）的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM 中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的翻译者。

JVM 中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的翻译者。

执行引擎的工作流程

1. 执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于 PC 寄存器。
2. 每当执行完一项指令操作后，PC 寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
3. 当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在 Java
   堆区中的对象实例信息，以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。
   
   从外观上来看，所有的 Java 虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的：输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行过程。

Java代码编译和执行过程

大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过上图中的各个步骤

• 前面橙色部分是生成字节码文件的过程，和 JVM 无关
• 后面蓝色和绿色才是 JVM 需要考虑的过程

Java 代码编译

• Java 代码编译是由 Java 源码编译器来完成，流程图如下所示

Java 源代码 ==> JVM字节码

Java 字节码的执行

• Java 字节码的执行是由 JVM 执行引擎来完成，流程图如下所示

JVM字节码 ==> 执行

我们用一个总的图，来说说解释器和编译器

解释器（Interpreter）

• 当 Java 虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。

JIT 编译器

• JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。

为什么 Java 是半编译半解释型语言？

翻译成本地代码后，就可以做一个缓存操作，存储在方法区中

机器码、指令、汇编语言

1. 机器码

01010100001011110

2. 指令

雕刻在cpu硬件上的电路------典型 X86指令集，ARM指令集

3. 汇编语言

4. 高级语言

为了使计算机用户编程序更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。高级语言比机器语言、汇编语言更接近人的语言

• 当计算机执行高级语言编写的程序时，仍然需要把程序解释和编译成机器的指令码。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。
  

高级语言也不是直接翻译成机器指令，而是翻译成汇编语言，如下面说的 C 和 C++

C、C++源程序执行过程

编译过程又可以分成两个阶段：编译和汇编。

• 编译过程：
  是读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码
• 汇编过程：
  实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。
  

字节码

解释器

JVM 设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足 Java 程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。

1. 解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
2. 当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据 PC 寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

解释器分类

在 Java 的发展历史里，一共有两套解释执行器，

• 即古老的字节码解释器、
• 现在普遍使用的模板解释器。

字节码解释器

• 字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。

模板解释器

• 而模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程度上提高了解释器的性能。

在 HotSpot VM 中，解释器主要由 Interpreter 模块和 Code 模块构成。

• Interpreter 模块：实现了解释器的核心功能
• Code 模块：用于管理 HotSpot VM 在运行时生成的本地机器指令

现状

JIT 编译器

Java 代码的执行分类

• 第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行
• 第二种是编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT，Just In Time）将方法编译成机器码后再执行

HotSpot VM

采用解释器与即时编译器并存的架构

问题来了

• 当 Java 虚拟器启动时，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成后再执行，
• 同时，解释执行在编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”。

HotSpot JVM执行方式

1. 当虚拟机启动的时候，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。
2. 并且随着程序运行时间的推移，即时编译器逐渐发挥作用，根据热点探测功能，将有价值的字节码编译为本地机器指令，以换取更高的程序执行效率。

案例

概念解释

• 前端编译器
  java 文件转变成 .class 文件的过程；
• 后端运行期编译器（JIT 编译器，Just In Time Compiler）
  直接把 .java 文件编译成本地机器代码的过程。

热点探测技术

热点代码

一个被多次调用的方法，或者是一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称之为“热点代码”

• 一个被多次调用的方法，或者是一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称之为“热点代码”，因此都可以通过 JIT 编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此被称之为栈上替换，或简称为 OSR（On Stack Replacement）编译。

热点探测

一个方法究竟要被调用多少次，或者一个循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到这个标准？必然需要一个明确的阈值，JIT 编译器才会将这些“热点代码”编译为本地机器指令执行。这里主要依靠热点探测功能。

HotSpot VM 将会为每一个方法都建立2个不同类型的计数器

采用基于计数器的热点探测，HotSpot VM 将会为每一个方法都建立2个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter）。

• 方法调用计数器
  用于统计方法的调用次数
• 回边计数器
  则用于统计循环体执行的循环次数

方法调用计数器

这个计数器就用于统计方法被调用的次数，它的默认阀值在 Client 模式下是1500次，在 Server 模式下是10000次。超过这个阈值，就会触发 JIT 编译。

这个阀值可以通过虚拟机参数 -XX:CompileThreshold 来人为设定。

1. 当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被 JIT 编译过的版本，
2. 如果存在，则优先使用编译后的本地代码来执行。
3. 如果不存在已被编译过的版本，则将此方法的调用计数器值加1，然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阀值。
4. 如果已超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。
   

热点衰减

回边计数器

• 它的作用是统计一个方法中循环体代码执行的次数，在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为“回边”（Back Edge）。显然，建立回边计数器统计的目的就是为了触发 OSR 编译。
  

HotSpot VM 可以设置程序执行方法

HotSpot VM 默认是采用解释器与即时编译器并存的架构

缺省情况下 HotSpot VM 是采用解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员可以根据具体的应用场景，通过命令显式地为 Java 虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器执行，还是完全采用即时编译器执行。如下所示：

• -Xint：完全采用解释器模式执行程序
• -Xcomp：完全采用即时编译器模式执行程序。如果即时编译出现问题，解释器会介入执行
• -Xmixed：采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序。
  

HotSpot VM 中 JIT 分类

在 HotSpot VM 中内嵌有两个 JIT 编译器，分别为 Client Compiler和Server Compiler，但大多数情况下我们简称为 C1 编译器和 C2 编译器。开发人员可以通过如下命令显式指定 Java 虚拟机在运行时到底使用哪一种即时编译器，如下所示：

• client：指定 Java 虚拟机运行在 Client 模式下，并使用 C1 编译器；
  C1 编译器会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短。以达到更快的编译速度。
• server：指定 Java 虚拟机运行在 Server 模式下，并使用 C2 编译器。
  C2 进行耗时较长的优化，以及激进优化。但优化的代码执行效率更高。（使用 C++ 实现）

分层编译策略：

C1 和 C2 编译器不同的优化策略

C1 编译器

在不同的编译器上有不同的优化策略，C1 编译器上主要有方法内联，去虚拟化、元余消除。

• 方法内联：将引用的函数代码编译到引用点处，这样可以减少栈帧的生成，减少参数传递以及跳转过程
• 去虚拟化：对唯一的实现类进行内联
• 冗余消除：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉

C2 编译器

C2 的优化主要是在全局层面，逃逸分析是优化的基础。基于逃逸分析在 C2 上有如下几种优化：

• 逃逸分析：是优化的基础
• 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
• 栈上分配：对于未逃逸的对象分配对象在栈而不是堆
• 同步消除：清除同步操作，通常指 synchronized

小结

• 一般来讲，JIT 编译出来的机器码性能比解释器高
• C2 编译器启动时长比 C1 慢，系统稳定执行以后，C2 编译器执行速度远快于 C1 编译器
  

AOT编译器