深入理解JVM中的即时编译器（JIT）

前言：原始Class字节码通过JVM 解释字节码将其翻译成对应的机器指令，逐条读入，逐条解释翻译。很显然，经过解释执行，其执行速度必然会比可执行的二进制字节码程序慢很多。这就是传统的JVM的解释器（Interpreter）的功能。为了解决这种效率问题，引入了 JIT（即时编译） 技术

关于java代码如何被解析为操作指令
推荐参考：Java代码的编译与执行过程

1、JIT编译器概述

JVM执行Java代码的过程是把Java源文件编译成字节码，然后通过JIT编译器将字节码转换成本地机器代码。不同于传统编译器事先编译，JIT编译器在运行时编译，将那些经常运行的代码块（热点代码）编译成与平台相关的机器语言，从而提高程序的执行效率。

2、工作方式

JVM启动时，并不会立即将所有字节码编译成机器码，而是首先解释执行字节码。当某部分代码被频繁执行时，被识别为“热点代码”。JVM就会使用JIT编译器将这部分字节码编译成对应平台的本地机器码，以提高执行效率。这使得Java程序能够以接近本地应用程序的速度运行，同时保持了跨平台的特性。

3、JIT编译器优化技术

（1）常见优化方式

JIT编译器采用了多种高级优化技术来提高程序运行的性能，包括但不限于：

• 方法内联 - 将一个方法的内容直接嵌入到调用它的地方，以减少方法调用的开销。
• 循环优化 - 改进循环的执行效率，比如通过循环展开减少循环次数。
• 死代码消除 - 移除不会执行到的代码。
• 逃逸分析 - 分析对象的作用域，决定是否可以堆优化，比如栈分配。
• 公共子表达式消除 - 查找并删除代码中重复计算的子表达式。

（2）举例说明

• 方法内联：假设有如下的代码：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int calculate(int x, int y) {
    int result = add(x, y);
    return result * 2;
}

JIT 编译器可以将 add 方法的内容内联到 calculate 方法中，使得调用 add 方法的开销减少，从而提高性能。

• 循环优化：考虑以下简单的循环：

int sum = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    sum += i;
}
JIT 编译器可以对循环进行优化，比如循环展开：

int sum = 0;
sum += 0;
sum += 1;
sum += 2;
// ... 省略后续的加法运算

这样可以减少循环的次数，从而提高效率。

• 死代码消除：考虑以下代码：

int result = 0;
if (false) {
    result = 100;  // 死代码，永远不会执行
}

JIT 编译器可以检测到 if (false) 这一条件永远不会成立，因此可以移除 result = 100; 这行代码。

• 逃逸分析：当一个对象的作用域被分析后，JIT 编译器可以决定是否可以在栈上分配该对象，而不是在堆上进行分配。
• 公共子表达式消除：考虑以下代码：

int result1 = a * b + c;
int result2 = a * b + c;

JIT 编译器可以发现 a * b + c 这个子表达式在两处都被计算，因此可以将其优化为一个单独的计算，从而减少重复计算的开销。

4、JIT的类型

在HotSpot虚拟机中，有两种类型的JIT编译器：

• Client Compiler（C1） - 针对客户端应用程序，优化启动时间，以较少的编译优化来实现更快的编译速度。
• Server Compiler（C2） - 针对服务端应用程序，进行更多的优化来提高峰值性能。

在JDK 8及之后版本中，还引入了Graal编译器，它是一个基于Java的JIT编译器，它可以作为C2编译器的替代品。

5、JIT面临挑战

尽管JIT编译器大大提高了程序的执行效率，但它也面临一些挑战，比如：

• 编译延时 - JIT编译器必须在程序运行时进行编译，这会增加一些延时。
• 资源消耗 - 编译过程中消耗CPU和内存资源。
• 调试和分析 - JIT编译后的代码难以调试和性能分析。

6、总结

JIT编译器在运行时编译字节码为本地机器码，从而提高程序的性能。
JIT采用了多种优化技术：方法内联、逃逸分析、循环优化、死代码消除 等。