32 - Java编译器之Graal

Graal 编译器

GraalVM 是一个高性能的、支持多种编程语言的执行环境。它既可以在传统的 OpenJDK 上运行，也可以通过 AOT（Ahead-Of-Time）编译成可执行文件单独运行，甚至可以集成至数据库中运行

• Graal 编译器：GraalVM 的基石
• 用 Java 写就的即时编译器，它从 Java 9u 开始便被集成自 JDK 中，作为实验性质的即时编译器
• 可以通过 Java 虚拟机参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler启用
  • 当启用时，它将替换掉 HotSpot 中的 C2 编译器，并响应原本由 C2 负责的编译请求

Graal 和 Java 虚拟机的交互

• 即时编译器是 Java 虚拟机中相对独立的模块
  • 负责接收 Java 字节码
  • 生成可以直接运行的二进制码
• 即时编译器与 Java 虚拟机的交互可以分为：
  1. 响应编译请求；
  2. 获取编译所需的元数据（如类、方法、字段）和反映程序执行状态的 profile
  3. 将生成的二进制码部署至代码缓存（code cache）里
  • 即时编译器通过这三个功能组成了一个响应编译请求、获取编译所需的数据，完成编译并部署的完整编译周期
• 传统情况下，即时编译器是与 Java 虚拟机紧耦合的
• 为了让 Java 虚拟机与 Graal 解耦合，引入了Java 虚拟机编译器接口（JVM Compiler Interface，JVMCI），上述三个功能抽象成一个 Java 层面的接口
  • 在 Graal 所依赖的 JVMCI 版本不变的情况下，我们仅需要替换 Graal 编译器相关的 jar 包（Java 9 以后的 jmod 文件），便可完成对 Graal 的升级
  • JVMCI 的作用并不局限于完成由 Java 虚拟机发出的编译请求。Java 程序可以直接调用 Graal，编译并部署指定方法
  • Graal 的单元测试便是基于这项技术

Graal 和 C2 的区别

• Graal 是用 Java 写的，而 C2 是用 C++ 写的
• Graal 更加模块化，也更容易开发与维护
• 在充分预热的情况下，Java 程序中的热点代码早已经通过即时编译转换为二进制码，在执行速度上并不亚于静态编译的 C++ 程序
• 即便是解释执行 Graal，也仅是会减慢编译效率，而并不影响编译结果的性能
• 如果 C2 和 Graal 采用相同的优化手段，那么它们的编译结果是一样的
• Graal 和 C2 另一个优化上的分歧则是方法内联算法。相对来说，Graal 的内联算法对新语法、新语言更加友好，例如 Java 8 的 lambda 表达式以及 Scala 语言
• 总体而言，Graal 编译结果的性能要优于 C2。对于 Java 程序来说，Graal 的优势并不明显；对于 Scala 程序来说，Graal 的性能优势达到了 10%

Graal 的实现

• Graal 编译器将编译过程分为前端和后端两大部分
  • 前端用于实现平台无关的优化（如方法内联），以及小部分平台相关的优化
• 后端则负责大部分的平台相关优化（如寄存器分配），以及机器码的生成
• Graal 和 C2 都采用了 Sea-of-Nodes IR
• Graal 的前端是由一个个单独的优化阶段（optimization phase）构成的
  • 我们可以将每个优化阶段想象成一个图算法：它会接收一个规则的图，遍历图上的节点并做出优化，并且返回另一个规则的图
  • 前端中的编译阶段除了少数几个关键的之外，其余均可以通过配置选项来开启或关闭
• Graal 和 C2 都采用了激进的投机性优化手段（speculative optimization）
• Graal 与 C2 相比会更加激进。它从设计上便十分青睐这种基于假设的优化手段。在编译过程中，Graal 支持自定义假设，并且直接与去优化节点相关联