jvm 执行引擎

执行引擎是jvm执行java程序的一套子系统。

1 解释器

jvm中又两种解释器，字节码解释器、模板解释器，字节码解释器，解释执行，模板解释器执行编译后的硬编码（机器码）。

1.1 字节码解释器

java初期只有字节码解释器，字节码解释器是逐个将字节码指令翻译成硬编码然后执行，所以是
java字节码 -> c++ -> 硬编码过程；非常低效。

 0 new #2 <java/lang/StringBuilder>
 3 dup
 4 invokespecial #3 <java/lang/StringBuilder.<init>>
 7 ldc #4 <子牙>
 9 invokevirtual #5 <java/lang/StringBuilder.append>
12 new #6 <java/lang/String>
15 dup
16 ldc #7 <真帅>
18 invokespecial #8 <java/lang/String.<init>>
21 invokevirtual #5 <java/lang/StringBuilder.append>
24 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.toString>
27 astore_1
28 goto 28 (0)

字节码解释器实现模板：

// c++ 代码
while(true) {
    
    
for() {
    
    
  char code = 
  switch(code) {
    
    
    case NEW:
    	// 解释执行
    break;
    case DUP:

    break;
  }
}

可以看出是字节码解释器是用c++代码逐个将字节码解释成硬编码后执行。

1.2 模板解释器

模板解释器直接执行编译过后的硬编码。
模板解释器底层执行流程：
1.申请一块内存，可读可写可执行
2.拿到代码的硬编码
3.将硬编码写入申请的内存
4.申请一个函数指针，指向这块内存
5.调用这个函数指针

1.2.1 即时编译

为了解决字节码解释器效率问题，jvm支持了即时编译技术，将整个函数体编译成机器码，模板解释器直接执行。目前有两种即时编译器，C1、C2。即时编译的最小单位不是一个函数，而是代码块（for、while）

1.2.1.1 jvm server模式和client模式的区别

Server模式启动时，速度较慢，但是一旦运行起来后，性能将会有很大的提升.原因是:当虚拟机运行在-client模式的时候,使用的是一个代号为C1的轻量级编译器, 而-server模式启动的虚拟机采用相对重量级,代号为C2的编译器. C2比C1编译器编译的相对彻底,服务起来之后,性能更高.

所以通常用于做服务器的时候我们用服务端模式，如果你的电脑只是运行一下java程序，就客户端模式就可以了。

1.2.1.2 C1编译器

C1编译器是client模式下的的即时编译器。
1、触发的条件相对C2比较宽松：需要收集的数据较少。
2、编译的优化比较浅：基本运算在编译的时候运算掉了。
3、C1编译器编译生成的代码执行效率较C2低。

1.2.1.2 C2编译器

C2编译器是server模式下的即时编译器
1、触发的条件比较严格，一般来说，程序运行了一段时间以后才会触发。
2、优化比较深。
3、编译生成的代码执行效率较C1更高。

1.2.1.3 混合编译

程序运行初期触发C1编译器。
程序运行一段时间后触发C2编译器。

1.2.1.4 编译优化

jvm在不同的编译器上还做了不同程度的优化，使效率更快

1.2.1.4.1 C1编译器优化

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

1.2.1.4.2 C2编译器优化

对于C2编译器的优化，是建立在逃逸分析的基础上的。

1.2.1.4.2.1 逃逸分析

逃逸分析是分析对象的作用域是否是局部的，会不会逃到方法外、线程外。
共享变量、返回值，参数就是逃逸的，对象的作用域是局部的就叫不逃逸
基于逃逸分析，C2编译器有3种优化技术，栈上分配、标量替换、锁消除。如果对象是逃逸的那么对象将变得比较复杂，优化无法实施。
逃逸分析默认是开启的，可通过下面命令开启和关闭：
开启：-XX:+DoEscapeAnalysis
关闭：-XX:-DoEscapeAnalysis

1.2.1.4.2.2 栈上分配

对象在虚拟机栈上分配。
证明栈上分配存在

public class AllocationOnStack {
    
    

    public static AllocationOnStack allocation() {
    
    

        return new AllocationOnStack();
    }

    //-Xmx100m -Xms100m -XX:-DoEscapeAnalysis -XX:+PrintGC 关闭逃逸分析
    // 逃逸分析默认开启
    public static void main(String[] args) {
    
    
        long begin = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
    
    
            allocation();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗时："+(end-begin)+"ms");
        while (true);
    }
}

以上代码如果开启了逃逸分析，在没有进行垃圾回收的情况下那么在堆中就没有100w个AllocationOnStack对象。
执行后通过jstat查看未促发GC，通过HSDB查看队中对象如下图只有178646个，所以对象未逃逸的情况下是存在栈上分配的。

关闭逃逸分析后执行，通过HSDB查看堆上有1000000个AllocationOnStack对象。

1.2.1.4.2.3 标量替换

标量：不可再分，java中的基本数据类型就是标量
聚合量：可再分，对象

public class Demo1 {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        Demo1_A demo1_a = new Demo1_A(1,2);
        System.out.println(demo1_a.a);// 编译时标量替换直接将demo1_a.a替换成1
        System.out.println(demo1_a.b);// 编译时标量替换直接将demo1_a.b替换成2

    }
}

class Demo1_A {
    
    
    public int a;
    public int b;
    public Demo1_A(int a, int b) {
    
    
        this.a = a;
        this.b = b;
    }
}

以上代码因为demo1_a未发生逃逸，所以编译时会直接将demo1_a.a替换成1，直接将demo1_a.b替换成2。

1.2.1.4.2.4 锁消除

public class Demo2 {
    
    
    public void test () {
    
    
        Demo2 demo2 = new Demo2();
        synchronized (demo2) {
    
      // 销除同步代码块
            System.out.println("锁销除");
        }
    }
}

以上代码因为demo2并未发生逃逸所以编译时将同步代码块销除

1.2.1.5 热点代码缓存区

热点代码经过即时编译后的硬编码需要缓存起来，即热点代码缓存区，存放在方法区。
可通过下面命令查看缓存区大小：
java -client -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep CodeCache

1.3 如何理解java时半编译半解释型语言

1.javac编译，java命令执行
2.字节码解释器解释执行，模板解释器编译执行

2 运行模式

2.1 三种运行模式

因为jvm有两种解释，所以有三种运行模式：
-Xint 纯字节码解释器
-Xcomp 纯模板解释器
-Xmixed 字节码解释器+模板解释器
默认时混合模式。
当虛拟机启动的时候，字节码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；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。

2.1 触发即时编译的条件

什么情况下才会促发即时编译呢？
一段时间内，Client 编译器模式下， 连续执行 1500次促发即时编译；Server 编译器模式下，连续执行 10000次促发即时编译。
可通过下面命令查看:
java -client -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep CompileThreshold

2.2 热度衰减

当超过一定的时间限度（这个一定时间就是半衰周期）， 如果程序的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个程序的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为热度的衰减 。可以通过-XX:-UseCounterDecay命令关闭热度衰减。可通过-XX:CounterHalfLifeTime指定半衰周期。

2.3 即时编译如何运行

触发即时编译后不是马上执行，jvm是把这个即时编译任务加入队列，VM_THREAD从这个队列中读取任务，并运行。
查看执行即时编译的线程：
java -client -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep CICompilerCount
可以通过-XX:CICompilerCount=N 设置。

参考：
https://www.cnblogs.com/yanl55555/p/13334713.html?utm_source=tuicool
https://www.cnblogs.com/grasp/archive/2004/01/13/10184383.html