JVM-执行引擎

执行引擎概述

执行引擎位置

执行引擎属于JVM的下层，里面包括：解释器、即时编译器、垃圾回收器

执行引擎是什么

• 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
  通俗的说：
  就是将字节码文件翻译成操作系统知道的机器语言。

执行引擎工作过程

• 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。
• 从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、处理、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、即时编译的等效过程，输出的是执行过程
  

Java 代码编译和执行过程

解释执行和即时编译

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，都需要经过下图中的各个步骤：

• 前面橙色部分是编译生成生成字节码文件的过程（javac 指令），和JVM无关

• 后面绿色（解释执行）和蓝色（即时编译）才是JVM需要考虑的过程
  

• Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示
  

• Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示
  * 我们用一个总的图，来总结解释器和编译器
  

解释器和编译器

• 什么是解释器？什么是JIT编译器？
  • 解释器（Interpreter）：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。通俗点说就是：java字节码->c++代码->机器语言
  • JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将java字节码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。
• 解释器的分类

  • 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
• 解释器的现状

  • 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

JIT 编译器

• Java 语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程

  1. 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
  2. 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。
  3. 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。

• 典型的编译器：

  • 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 Java（GCJ）、Excelsior JET。

结论

• 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。
• 当解释器与即时编译器共存，在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”。

编译对象与触发条件

在运行过程中会被即时编译的目标是“热点代码”，这里所谓的热点代码包括：

• 被多次调用的方法
• 被多次执行的循环体
  对于这两种情况，编译的目标都是整个方法体。

热点探测技术

• 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

方法调用计数器

1. 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。

2. 这个阀值可以通过虚拟机参数 -XX:CompileThreshold 来人为设定。

3. 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。
     • 如果未超过阈值，则使用解释器对字节码文件解释执行
       

热度衰减

• 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）
• 半衰周期是化学中的概念，比如出土的文物通过查看C60来获得文物的年龄
• JVM 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
• 如果让方法计数器统计方法调用的绝对次数，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

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栈上替换（OSR）编译。
• 注意：这里虽然编译动作是由循环体所触发的，热点只是一部分，不过编译器必须以整个方法作为编译对象，只是执行入口会有所不同，编译的时候会传入字节码序号。

C1 C2 编译器比较

• 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、元余消除。
• 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：对唯一的实现樊进行内联
• 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

分层编译策略

• 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。

总结

• 一般来讲，JIT编译出来的机器码性能比解释器解释执行的性能高
• 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

Graal 编译器

• 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平了G2编译器，未来可期
• 目前，带着实验状态标签，需要使用开关参数去激活才能使用
  -XX:+UnlockExperimentalvMOptions -XX:+UseJVMCICompiler