AOT编程

1. AOT与JIT

AOT：Ahead-of-Time（提前编译）：程序执行前，全部被编译成机器码

JIT：Just in Time（即时编译）: 程序边编译，边运行；

编译：

• 源代码（.c、.cpp、.go、.java。。。） =编译= 机器码

语言：

• 编译型语言：编译器
• 解释型语言：解释器

1. Complier 与 Interpreter

Java：半编译半解释

在线编程网站：https://anycodes.cn/editor

对比项	编译器	解释器
机器执行速度	快，因为源代码只需被转换一次	慢，因为每行代码都需要被解释执行
开发效率	慢，因为需要耗费大量时间编译	快，无需花费时间生成目标代码，更快的开发和测试
调试	难以调试编译器生成的目标代码	容易调试源代码，因为解释器一行一行地执行
可移植性（跨平台）	不同平台需要重新编译目标平台代码	同一份源码可以跨平台执行，因为每个平台会开发对应的解释器
学习难度	相对较高，需要了解源代码、编译器以及目标机器的知识	相对较低，无需了解机器的细节
错误检查	编译器可以在编译代码时检查错误	解释器只能在执行代码时检查错误
运行时增强	无	可以动态增强

2. AOT 与 JIT 对比

AOT会牺牲高级语言的一些特性：反射，面向切面…

	JIT	AOT
优点	1.具备实时调整能力 2.生成最优机器指令 3.根据代码运行情况优化内存占用	1.速度快，优化了运行时编译时间和内存消耗 2.程序初期就能达最高性能 3.加快程序启动速度
缺点	1.运行期边编译速度慢 2.初始编译不能达到最高性能	1.程序第一次编译占用时间长 2.牺牲高级语言一些特性

在 OpenJDK 的官方 Wiki 上，介绍了HotSpot 虚拟机一个相对比较全面的、 即时编译器（JIT） 中采用的优化技术列表。

可使用：-XX:+PrintCompilation 打印JIT编译信息

3. JVM架构

.java === .class === 机器码

JVM: 既有解释器，又有编辑器（JIT：即时编译）；

4. Java的执行过程

建议阅读：

• 美团技术：https://tech.meituan.com/2020/10/22/java-jit-practice-in-meituan.html
• openjdk官网：https://wiki.openjdk.org/display/HotSpot/Compiler

1. 流程概要

jvm里面会判断一段代码是解释执行还是编译执行，如果是编译执行，就编译成机器码并且放到缓存里面，下次用到的时候，直接取；如果是解释执行，就直接解释执行，并且统计解释执行的次数，当次数达到某个阈值的时候，就触发编译，将机器码放在缓存中。

2. 详细流程

热点代码：调用次数非常多的代码

5. JVM编译器

JVM中集成了两种编译器，Client Compiler 和 Server Compiler；

• Client Compiler注重启动速度和局部的优化
• Server Compiler更加关注全局优化，性能更好，但由于会进行更多的全局分析，所以启动速度会慢。

Client Compiler：

• HotSpot VM带有一个Client Compiler C1编译器
• 这种编译器启动速度快，但是性能比较Server Compiler来说会差一些。
• 编译后的机器码执行效率没有C2的高

Server Compiler：

• Hotspot虚拟机中使用的Server Compiler有两种：C2 和 Graal。
• 在Hotspot VM中，默认的Server Compiler是C2编译器。

6. 分层编译

Java 7开始引入了分层编译(Tiered Compiler)的概念，它结合了C1和C2的优势，追求启动速度和峰值性能的一个平衡。分层编译将JVM的执行状态分为了五个层次。五个层级分别是：

• 解释执行。
• 执行不带profiling的C1代码。
• 执行仅带方法调用次数以及循环回边执行次数profiling的C1代码。
• 执行带所有profiling的C1代码。
• 执行C2代码。

profiling就是收集能够反映程序执行状态的数据。其中最基本的统计数据就是方法的调用次数，以及循环回边的执行次数。

• 图中第①条路径，代表编译的一般情况，热点方法从解释执行到被3层的C1编译，最后被4层的C2编译。
• 如果方法比较小（比如Java服务中常见的getter/setter方法），3层的profiling没有收集到有价值的数据，JVM就会断定该方法对于C1代码和C2代码的执行效率相同，就会执行图中第②条路径。在这种情况下，JVM会在3层编译之后，放弃进入C2编译，直接选择用1层的C1编译运行。
• 在C1忙碌的情况下，执行图中第③条路径，在解释执行过程中对程序进行profiling ，根据信息直接由第4层的C2编译。
• 前文提到C1中的执行效率是1层>2层>3层，第3层一般要比第2层慢35%以上，所以在C2忙碌的情况下，执行图中第④条路径。这时方法会被2层的C1编译，然后再被3层的C1编译，以减少方法在3层的执行时间。
• 如果编译器做了一些比较激进的优化，比如分支预测，在实际运行时发现预测出错，这时就会进行反优化，重新进入解释执行，图中第⑤条执行路径代表的就是反优化。

总的来说，C1的编译速度更快，C2的编译质量更高，分层编译的不同编译路径，也就是JVM根据当前服务的运行情况来寻找当前服务的最佳平衡点的一个过程。从JDK 8开始，JVM默认开启分层编译。

存在的问题：

• java应用如果用jar，解释执行，热点代码才编译成机器码；初始启动速度慢，初始处理请求数量少。
• 大型云平台，要求每一种应用都必须秒级启动。每个应用都要求效率高。

希望的效果：

• java应用也能提前被编译成机器码，随时急速启动，一启动就急速运行，最高性能

• 编译成机器码的好处：

• • 另外的服务器还需要安装Java环境
  • 编译成机器码的，可以在这个平台 Windows X64 直接运行。

2. GraalVM

官网：https://www.graalvm.org/

GraalVM是一个高性能的JDK，旨在加速用Java和其他JVM语言编写的应用程序的执行，同时还提供JavaScript、Python和许多其他流行语言的运行时。

GraalVM提供了两种运行Java应用程序的方式：

• 1. 在HotSpot JVM上使用Graal即时（JIT）编译器
• 2. 作为预先编译（AOT）的本机可执行文件运行（本地镜像）。

GraalVM的多语言能力使得在单个应用程序中混合多种编程语言成为可能，同时消除了外部语言调用的成本。

1. 架构

2. 安装

跨平台提供原生镜像原理：安装graalVM,native-image，然后通过native-image进行调用集成环境VisualStudio，打包成windows下的可执行程序。

1. VisualStudio

官网：https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/free-developer-offers/

别选中文

记住你安装的地址；

2. GraalVM

1. 安装

下载 GraalVM + native-image

2. 配置

修改 JAVA_HOME 与 Path，指向新bin路径

验证JDK环境为GraalVM提供的即可：

3. 依赖

安装 native-image 依赖：

1. 网络环境好：参考：https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/#install-native-image

gu install native-image

1. 网络不好，使用我们下载的离线jar;native-image-xxx.jar文件

gu install --file native-image-installable-svm-java17-windows-amd64-22.3.2.jar

4. 验证

native-image

3. 测试

1. 创建项目

• 创建普通java项目。编写HelloWorld类；

• • 使用mvn clean package进行打包
  • 确认jar包是否可以执行java -jar xxx.jar
  • 可能需要给 MANIFEST.MF添加 Main-Class: 你的主类

2. 编译镜像

• 编译为原生镜像（native-image）：使用native-tools终端

#从入口开始，编译整个jar
native-image -cp boot3-15-aot-common-1.0-SNAPSHOT.jar com.atguigu.MainApplication -o Haha

#编译某个类【必须有main入口方法，否则无法编译】
native-image -cp .\classes org.example.App

要把应用程序通过package打包之后，进入VisualStudio提供的x64 Native Tools，jar所在的文件夹下执行native-image -cp boot3-15-aot-common-1.0-SNAPSHOT.jar com.atguigu.MainApplication -o Haha。这个命令的com.atguigu.MainApplication表示入口，-o Haha表示生成的可执行文件名为Haha

3. Linux平台测试

• 1. 安装gcc等环境

sudo yum install gcc glibc-devel zlib-devel

• 2. 下载安装配置Linux下的GraalVM、native-image
• • 下载：https://www.graalvm.org/downloads/
  • 安装：GraalVM、native-image
  • 配置：JAVA环境变量为GraalVM

tar -zxvf graalvm-ce-java17-linux-amd64-22.3.2.tar.gz -C /opt/java/

sudo vim /etc/profile
#修改以下内容
export JAVA_HOME=/opt/java/graalvm-ce-java17-22.3.2
export PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin

source /etc/profile

• 3. 安装native-image

gu install --file native-image-installable-svm-java17-linux-amd64-22.3.2.jar

• 4. 使用native-image编译jar为原生程序

native-image -cp xxx.jar org.example.App

3. SpringBoot整合

1. 依赖导入

 <build>
     <plugins>
         <plugin>
             <groupId>org.graalvm.buildtoolsgroupId>
             <artifactId>native-maven-pluginartifactId>
         plugin>
         <plugin>
             <groupId>org.springframework.bootgroupId>
             <artifactId>spring-boot-maven-pluginartifactId>
         plugin>
     plugins>
build>

2. 生成native-image

1、运行aot提前处理命令：mvn springboot:process-aot

2、运行native打包：mvn -Pnative native:build

# 推荐加上 -Pnative
mvn -Pnative native:build -f pom.xml

3. 常见问题

可能提示如下各种错误，无法构建原生镜像，需要配置环境变量；

• 出现cl.exe找不到错误
• 出现乱码
• 提示no include path set
• 提示fatal error LNK1104: cannot open file ‘LIBCMT.lib’
• 提示 LINK : fatal error LNK1104: cannot open file ‘kernel32.lib’
• 提示各种其他找不到

需要修改三个环境变量：Path、INCLUDE、lib

• 1、 Path：添加如下值

• • C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\bin\Hostx64\x64

• 2、新建INCLUDE环境变量：值为

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\include;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\shared;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\ucrt;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\um;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\winrt

• 3、新建lib环境变量：值为

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\lib\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\um\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\ucrt\x64

clude\10.0.19041.0\um;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\winrt

[外链图片转存中...(img-RrpPlCvu-1703577786321)]

- 3、新建`lib`环境变量：值为

```latex
C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\lib\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\um\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\ucrt\x64