JVM系列之执行引擎

引言

经典栏目如期而至。之前我们已经了解到了JVM的类加载过程和运行时内存区的基础相关内容，今天我们来了解“执行引擎”。

参考书籍：“深入理解java虚拟机”

概述

执行引擎是JAVA虚拟机核心的组成部分之一“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有软件自行实现的，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的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能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，执行引擎的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台相应的本地机器指令才可以。简单来说，JVM的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行引擎的执行过程

1. 执行引擎在执行的过程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。

什么是解释器，什么是编译器？

解释器：当java虚拟机启动时会根据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”为对应的本地机器指令执行。

JIT（JUST IN TIME COMPILER）编译器：就是虚拟机将源代码直接编译成本地机器平台相关的机器语言。

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。

不同解释器的特点：

1. 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。

2. 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。

   1. 在HotSpotVM中，解释器主要由Interpreter模板和Code模板构成。
      1. Interpreter模板：实现了解释器的核心功能
      2. Code模板：用于管理HotSpotVM在运行时生成的本地机器指令

JIT编译器:

java语言的“编译器”其实是一段“不确定”的操作过程，因为它可能是指一个前端编译器（其实叫“编译器的前端”更准确一些）把.java文件转变成.class文件转变。也可能是指虚拟机的后端运行期编译器（JIT编译器）把字节码转变成机器码的过程。还能是指使用静态提前编译器（AOT编译器）直接把.java文件编译成本地机器代码的过程。

前端编译器: Sun的Javac、Eclipse、JDT中的增量式编译器端编译器：Sun的Javac、Eclipse、JDT中的增量式编译器

JIT编译器: HotSpotVM的C1、C2编译器

AOT编译器：GNU Compiler for the Java（GCJ），Excelsior JET

热点代码及探测方式：

• 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，因此也可以被称之为栈上替换，或简称为OSR（On Stack Replacement）编译。
• 目前HotSpotVM所采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测。
• 采用基于计数器的热点探测，HotSpotVM将会为每一个方法都建立2个不同类型的计数器，分贝为方法调用计数器和回边计数器
  • 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

JIT的分类:

• -Client：执行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。已达到更快的编译速度
• -Server：执行Java虚拟机于运行在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。
• C1和C2编译器不同的优化策略：
  • C1：
    • 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：
    • 变量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
    • 栈上分配：对于为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

AOT编译器：

好处：java虚拟机加载已经编译成二进制库，可以直接运行。不必等待即使编译器的预热，减少java应用给人带来“第一次运行慢”的不良体验。

缺点：

• 破坏了java“一次编译，到处执行”，必须为每个不同硬件、OS编译对应的发行包。
• 降低了java链接过程的动态性，加载的代码在编译器就必须全部已知
• 还需要继续优化中，最初值支持Linux

执行引擎的设计原理

当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间。但编译为本地代码后，执行效率高。

设计目的：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，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移，编译器发挥作用， 把越来越多的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率。