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声明#xff1a; 感谢尚硅谷宋红康老师的讲授。 感谢广大网友共享的笔记内容。 B站#xff1a;https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ 本文的内容基本来源于宋老师的课件#xff0c;其中有一些其他同学共享的内容#xff0c;也有一些自己的理解内容。
1. …0. 前言
声明 感谢尚硅谷宋红康老师的讲授。 感谢广大网友共享的笔记内容。 B站https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ 本文的内容基本来源于宋老师的课件其中有一些其他同学共享的内容也有一些自己的理解内容。
1. 执行引擎概述
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 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译者。 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结果。
1.1 执行引擎的工作流程
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。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。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。
2. Java 代码编译和执行的过程 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。
其中黄色的部分是通过 javac前端编译器 来完成的这部分与 JVM 无关。 绿色部分是解释执行的过程。蓝色部分是编译执行的过程。所以Java也称为半解释半编译的语言。Java字节码的执行是由**JVM执行引擎后端编译器**来完成流程图如下所示 通过上图可以发现JVM字节码在执行时有两种方式。一种是对字节码逐行解释的方法进行执行。另一种是通过JIT编译器
2.1 什么是解释器Interpreter什么是JIT编译器 解释器当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。
JITJust In Time Compiler编译器就是虚拟机将字节码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。
2.2 为什么Java是半编译半解释型语言
JDK1.0时代将 Java 语言定位为 “解释执行” 还是比较准确的。再后来Java 也发展出可以直接生成本地代码的编译器。现在 JVM 在执行 Java 代码的时候通常都会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。
3. 机器码、指令、汇报语言 3.1 机器码
各种用二进制编码方式表示的指令叫做机器指令码。开始人们就用它采编写程序这就是机器语言。
机器语言虽然能够被计算机理解和接受但和人们的语言差别太大不易被人们理解和记忆并且用它编程容易出差错。
用它编写的程序一经输入计算机CPU直接读取运行因此和其他语言编的程序相比执行速度最快。
机器指令与CPU紧密相关所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同。
3.2 指令
由于机器码是有0和1组成的二进制序列可读性实在太差于是人们发明了指令。
指令就是把机器码中特定的0和1序列简化成对应的指令一般为英文简写如movinc等可读性稍好
由于不同的硬件平台执行同一个操作对应的机器码可能不同所以不同的硬件平台的同一种指令比如mov对应的机器码也可能不同。
3.3 指令集
不同的硬件平台各自支持的指令是有差别的。因此每个平台所支持的指令称之为对应平台的指令集。 如常见的
x86指令集对应的是x86架构的平台ARM指令集对应的是ARM架构的平台
3.4 汇编语言
由于指令的可读性还是太差于是人们又发明了汇编语言。在汇编语言中用助记符Mnemonics代替机器指令的操作码用地址符号Symbol或标号Label代替指令或操作数的地址。在不同的硬件平台汇编语言对应着不同的机器语言指令集通过汇编过程转换成机器指令。 由于计算机只认识指令码所以用汇编语言编写的程序还必须翻译成机器指令码计算机才能识别和执行。
3.5 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。
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码如下面说的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。 3.6 字节码
字节码是一种中间状态中间码的二进制代码文件它比机器码更抽象需要直译器转译后才能成为机器码。
字节码主要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关这也是 Java 跨平台性的原因。
字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将源码编译成字节码特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。字节码典型的应用为Java bytecode。
4. 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。
为什么 Java 源文件不直接翻译成 JVM而是翻译成字节码文件可能是因为直接翻译的代价是比较大的。如下图的两个步骤从源文件到字节码文件。从字节码文件到机器指令。
4.1 解释器工作机制
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。
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。
4.2 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。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。
4.3 现状
由于解释器在设计和实现上非常简单因此除了Java语言之外还有许多高级语言同样也是基于解释器执行的比如Python、Perl、Ruby等。但是在今天基于解释器执行已经沦落为低效的代名词并且时常被一些C/C程序员所调侃。
为了解决这个问题JVM 平台支持一种叫作即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行而是将整个函数体编译成为机器码每次函数执行时只执行编译后的机器码即可这种方式可以使执行效率大幅度提升。
不过无论如何基于解释器的执行模式仍然为中间语言的发展做出了不可磨灭的贡献。
5. JIT编译器
5.1 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但是要知道不同机器上编译的机器码是不一样而字节码是可以跨平台的。现代虚拟机为了提高执行效率会使用即时编译技术JITJust In Time将方法编译成机器码后再执行。
HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时解释器和即时编译器能够相互协作各自取长补短尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。
在今天Java程序的运行性能早已脱胎换骨已经达到了可以和C/C 程序一较高下的地步。
问题来了 有些开发人员会感觉到诧异**既然HotSpot VM中已经内置JIT编译器了那么为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢**比如JRockit VM内部就不包含解释器字节码全部都依靠即时编译器编译后执行。
首先明确 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。
所以 尽管JRockit VM中程序的执行性能会非常高效但程序在启动时必然需要花费更长的时间来进行编译。对于服务端应用来说启动时间并非是关注重点但对于那些看中启动时间的应用场景而言或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。在此模式下**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。
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”或者说一个后备方案。
5.2 HotSpot JVM 的执行方式
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。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 注意解释执行与编译执行在线上环境微妙的辩证关系。机器在热机状态可以承受的负载要大于冷机状态。如果以热机状态时的流量进行切流可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。
在生产环境发布过程中以分批的方式进行发布根据机器数量划分成多个批次每个批次的机器数至多占到整个集群的1/8。曾经有这样的故障案例某程序员在发布平台进行分批发布在输入发布总批数时误填写成分为两批发布。如果是热机状态在正常情况下一半的机器可以勉强承载流量但由于刚启动的JVM均是解释执行还没有进行热点代码统计和JIT动态编译导致机器启动之后当前1/2发布成功的服务器马上全部宕机此故障说明了 JIT 的存在。—— 阿里团队
简单的说就是热机状态下已经进行了热点代码统计和JIT动态编译可以支撑承载流量。 当我们将服务发布到新的平台冷机状态此时JVM均是解释执行。故而会存在宕机风险。
5.3 概念解释
Java 语言的 “编译期” 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文件的过程。
也可能是指虚拟机的后端运行期编译器JIT编译器Just In Time Compiler把字节码转变成机器码的过程。
还可能是指使用静态提前编译器AOT编译器Ahead of Time Compiler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ECJ。JIT编译器HotSpot VM的C1、C2编译器。AOT 编译器GNU Compiler for the JavaGCJ、Excelsior JET。
5.4 热点代码及探测技术
当然是否需要启动JIT编译器将字节码直接编译为对应平台的本地机器指令则需要根据代码被调用执行的频率而定。关于那些需要被编译为本地代码的字节码也被称之为**“热点代码”**JIT编译器在运行时会针对那些频繁被调用的“热点代码”做出深度优化将其直接编译为对应平台的本地机器指令以此提升Java程序的执行性能。
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OSROn Stack Replacement编译。
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。
目前HotSpot VM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
5.4.1 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。
当一个方法被调用时会先检查该方法是否存在被JIT编译过的版本如果存在则优先使用编译后的本地代码来执行。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。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 如果不做任何设置方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数而是一个相对的执行频率即一段时间之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译那这个方法的调用计数器就会被减少一半这个过程称为方法调用计数器热度的衰减Counter Decay而这段时间就称为此方法统计的半衰周期Counter Half Life Time。
进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的可以使用虚拟机参数 -XX:-UseCounterDecay 来关闭热度衰减让方法计数器统计方法调用的绝对次数这样只要系统运行时间足够长绝大部分方法都会被编译成本地代码。
另外可以使用 -XX:CounterHalfLifeTime 参数设置半衰周期的时间单位是秒。
5.4.2 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。 上图中向提交OSR的编译请求后依然是以解释的方式继续执行。 这是因为第一次提交OSR申请不会立刻执行编译后的机器指令需要在下一次才会执行编译后的机器指令。 5.5 HotSpotVM 可以设置程序执行方法
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。
5.6 HotSpotVM中 JIT 分类
JIT的编译器还分为了两种分别是C1和C2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。
分层编译Tiered Compilation策略程序解释执行不开启性能监控可以触发C1编译将字节码编译成机器码可以进行简单优化也可以加上性能监控C2编译会根据性能监控信息进行激进优化。
不过在Java7版本之后一旦开发人员在程序中显式指定命令“-server时默认将会开启分层编译策略由C1编译器和C2编译器相互协作共同来执行编译任务。
C1 和 C2编译器不同的优化策略 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、冗余消除。
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的优化主要是在全局层面逃逸分析前面讲过并不成熟是优化的基础。基于逃逸分析在C2上有如下几种优化
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
总结
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。
写到最后1
自JDK10起HotSpot又加入了一个全新的及时编译器Graal编译器编译效果短短几年时间就追评了C2编译器未来可期目前带着实验状态标签需要使用开关参数 -XX:UnlockExperimentalvMOptions -XX:UseJVMCICompiler 去激活才能使用
写到最后2AOT编译器
jdk9引入了AOT编译器静态提前编译器Ahead of Time Compiler
Java 9引入了实验性AOT编译工具 jaotc。它借助了 Graal编译器将所输入的 Java类文件转换为机器码并存放至生成的动态共享库之中。
所谓 AOT 编译是与即时编译相对立的一个概念。我们知道即时编译指的是在程序的运行过程中将字节码转换为可在硬件上直接运行的机器码并部署至托管环境中的过程。而AOT编译指的则是在程序运行之前便将字节码转换为机器码的过程。
最大的好处Java 虚拟机加载已经预编译成二进制库可以直接执行。不必等待及时编译器的预热减少 Java 应用给人带来 “第一次运行慢” 的不良体验
缺点
破坏了 java “ 一次编译到处运行” 的理念必须为每个不同的硬件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只支持 Linux X64 java base
