Java-JVM-编译原理

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Java-JVM-编译原理

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本文大量内容系转载自以下文章，并参考其他文档资料加入了一些内容：

• JVM系列第4讲：从源代码到机器码，发生了什么？
  作者：陈树义
  来源：博客园
• 深入分析Java的编译原理
  来源：Hollis
  转载仅为方便学习查看，一切权利属于原作者，本人只是做了整理和排版，如果带来不便请联系我删除。

摘要

我们可以通过javac命令将Java程序的源代码编译成Java字节码，即我们常说的class文件。这是我们通常意义上理解的编译。但是，字节码并不是机器语言，要想让机器能够执行，还需要把字节码翻译成机器指令。这个过程是Java虚拟机做的，这个过程也叫编译。是更深层次的编译。在编译原理中，把源代码翻译成机器指令，一般要经过以下几个重要步骤：

根据完成任务不同，可以将编译器的组成部分划分为前端（Front End）与后端（Back End）：

• 前端编译主要指与源语言有关但与目标机无关的部分，包括词法分析、语法分析、语义分析与中间代码生成。将.java文件编译成.class的编译过程称之为前端编译。
• 后端编译主要指与目标机有关的部分，包括代码优化和目标代码生成等。将.class文件翻译成机器指令的编译过程称之为后端编译。

如下图所示，编译器可以分为：前端编译器、JIT 编译器和AOT编译器。下面我们逐个讲解。

0x01 前端编译器：源代码到字节码

1.1 基本概念

对于 Java 虚拟机来说，其实际输入的是字节码文件，而不是 Java 文件。JDK 的安装目录里有 javac 工具，就是它将 Java 代码翻译成字节码。相对于后面要讲的其他编译器，因为Javac处于编译的前期，因此又被成为前端编译器。

1.2 例子

通过 javac 编译器，我们可以很方便地将 java 源文件翻译成字节码文件。就拿我们最熟悉的 Hello World 作为例子：

public class Demo{
   public static void main(String args[]){
        System.out.println("Hello World!");
   }
}

我们使用 javac 命令编译上面这个类，便会生成一个 Demo.class 文件：

javac Demo.java

我们使用纯文本编辑器打开 Demo.class 文件，我们会发现是一连串的 16 进制二进制流。

1.3 javac流程

运行 javac 命令的过程，其实就是 javac 编译器解析 Java 源代码，并生成字节码文件的过程，可以分为下面四个阶段：

1. 词法、语法分析
   JVM 对源代码的字符进行一次扫描，经过词法分析（源码CharStream转为Tokens），语法分析，最终生成一个抽象的语法树。语法树每一个节点都代表代码中一个语法结构，如包、类型、运算符。
   
2. 填充符号表
   符号表由一组符号地址和符号信息构成，在编译不同阶段都需使用。语义分析中，符号表所登记的内容用于语义检查和生成中间代码。
   我们知道类之间是会互相引用的，但在编译阶段，我们无法确定其具体的地址，所以我们会使用一个符号来替代。在这个阶段做的就是类似的事情，即对抽象的类或接口进行符号填充。等到类加载阶段，JVM 会将符号替换成具体的内存地址（解析阶段，符号引用转直接引用）。
3. 注解处理
   在这个阶段会对注解进行分析，根据注解的作用将其还原成具体的指令集。
   JDK1.6之前注解是在运行期起作用，JDK1.6提供了插入式注解处理器在编译期处理注解，相当于编译器插件，会按需修改抽象语法树，所以一旦修改了AST，会回到第一步重复前三步，直到注解处理不再修改AST。
4. 语义分析
   语义分析（包括标注检查和数据及控制流分析、解语法糖（泛型、自动装拆箱等）等）。主要是对结构上正确的源码（语法分析阶段确认）进行上下文检查，如类型检查（比如boolean b=false;char c=2;int d=b+c就有问题了）。最终得到标注了属性的AST。
5. 字节码生成
   javac 编译的最后阶段是字节码生成，JVM 便会根据上面几个阶段分析出来的结果（AST, 符号表等）转换为字节码写入磁盘，还会新增（如clinit和init（不包括已在填充符号表时已执行的默认构造方法）在这时被添加到AST中）和转换（如将String的加转为StringBuilder.append）少量代码。

我们一般称 javac 编译器为前端编译器，因为其发生在整个编译的前期。常见的前端编译器有 Sun 的 javac，Eclipse JDT 的增量式编译器（ECJ）。

0x02 JIT 编译器：从字节码到机器码

2.1 基本概念

2.1.1 两种运行模式

当源代码转化为字节码之后，要运行程序有两种选择:

• 使用 Java 解释器来直接解释执行字节码（基于栈的指令集）。
  首先java源代码编译（javac）称为.class文件，JVM的类加载器加载字节码到方法区后，JVM内置的解析器会解释执行，一行一行到把字节码转换为机器语言再运行
• 使用 JIT 编译器将字节码转化为本地机器代码执行
  由于大部分程序都表现出“小部分热点代码消耗大部分的资源”，这里的热点代码就是高频率调用的代码块，类似“二八定律”，于是引入了JIT（方法级），也就是动态编译器，利用了在运行时进行热点代码编译的技术，直接将字节码编译为本地机器码，JIT会缓存编译过的代码到Code Cache里（HotSpot在启动时，会为所有字节码创建在目标平台上运行的解释运行的机器码，并存放在CodeCache中，在解释执行字节码的过程中，就会从CodeCache中取出这些本地机器码并执行。），且之后无需重复解释。且在此过程中，会有大量优化策略！

这两种方式的区别在于，前者启动速度快但运行速度慢（指令较多、基于内存是瓶颈速度慢于寄存器），而后者启动速度慢但运行速度快。因为解释器不需要像 JIT 编译器一样，将所有字节码都转化为机器码，自然就省去了优化的时间。而当 JIT 编译器完成第一次编译后，其会将字节码对应的机器码保存下来，下次可以直接使用。而我们知道，机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。且在JIT编译过程中，会有大量优化策略！

2.1.2 解释器和编译器配合

1. 当程序需要迅速启动和执行的时候，解析器首先发挥作用，省去编译的时间，立即执行。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。
2. 当机器内存限制比较大，可以用解析方式节约内存，反之可以用编译提升效率。
3. 解析器还可以作为编译器的“逃生门”。当例如加载了新类后类型结构发生变化，可以采用逆优化，退回到解析状态继续执行。

2.1.3 混合模式

所以在实际情况中，为了运行速度以及效率，我们通常采用解释器和JIT相结合的方式(即混合模式)进行 Java 代码的编译执行。

2.2 C1与C2

2.2.1 简介

在 HotSpot 虚拟机内置了两个即时编译器，分别称为 Client Compiler 和Server Compiler。这两种不同的编译器衍生出两种不同的编译模式，我们分别称之为：C1 编译模式，C2 编译模式。

注意：现在许多人习惯上将 Client Compiler 称为 C1 编译器，将 Server Compiler 称为 C2 编译器，但在 Oracle 官方文档中将其描述为 compiler mode（编译模式）。所以说 C1 编译器、C2 编译器只是我们自己的习惯性称呼，并不是官方的说法。这点需要特别注意。

2.2.2 C1 和 C2 对比

• C1 编译模式会将字节码编译为本地代码，进行简单、可靠的优化，如有必要将加入性能监控的逻辑。针对启动性能有要求的客户端GUI程序。
• C2 编译模式，也是将字节码编译为本地代码，但是会启用一些编译耗时较长的优化，甚至会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。针对性能峰值。且在JDK1.7后，为了均衡启动速度和运行效率，Server模式JVM采用了分层编译为默认编译策略，会根据编译器编译、优化的规模和耗时，划分不同的编译层次：

1. 0层：程序直接解释执行，
2. 1层，即C1编译。将字节码编译为本地机器代码，
3. 2层或2层以上：C2编译。
   在分层编译中，C0不需要再搜集性能监控信息。C1（更高编译速度）和 C2同时工作（更好的编译质量），代码可能多次编译。

2.3 热点代码

2.3.1 热点代码分类

前面提到的会被JIT编译的热点代码有两类：

• 被多次调用的方法
  JIT会以整个方法作为编译对象，该方式是JVM中标准的JIT编译方式。
• 被多次执行的循环体
  JIT会以整个方法而不是循环体作为编译对象

2.3.2 探测方法分类

目前主要的热点代码识别方式是热点探测（Hot Spot Detection），有以下两种：

1. 基于采样的方式探测（Sample Based Hot Spot Detection) ：周期性检测各个线程的栈顶，发现某个方法经常出险在栈顶，就认为是热点方法。
   好处就是简单；缺点就是无法精确确认一个方法的热度。容易受线程阻塞或别的原因干扰热点探测。
2. 基于计数器的热点探测（Counter Based Hot Spot Detection)。采用这种方法的虚拟机会为每个方法(甚至是代码块)建立计数器，统计方法的执行次数，某个方法超过阀值就认为是热点方法，触发JIT编译。
   好处是统计结果精确；缺点是这种方式需为每个方法维护一个计数器，且无法直接获取方法间调用关系

2.3.3 热点探测计数器

HotSpot使用基于计数器的热点探测方法，为每个方法准备两个计数器。他们都会先查看是否存在已编译版本，如果有就优先执行已编译的本地代码。否则计数器加一，然后判断两个计数器之和超过阈值就触发JIT编译，否则以解释方式继续执行：

• 方法计数器。记录方法被调用次数。

• 回边计数器。是记录方法中的for或者while的运行次数的计数器。

• 关于OSR栈上替换
  在回边计数器中，编译动作由循环体触发，编译器会以整个方法作为编译对象，也就是说会在方法执行过程中进行编译。那么就会发生方法栈帧还在栈内，方法就被替换了，即所谓OSR栈上替换。

2.3.4 解释、编译和阻塞

在触发编译时，执行引擎不会等待编译完成而是再继续解释执行字节码，直到编译完成，将方法的调用入口地址直接替换为新的编译后的代码地址。以后调用就可以都用已编译版本。

2.4 JIT编译优化

JIT除了具有缓存的功能外，还会对代码做各种优化。典型的有：
逃逸分析、 公共子表达式消除、方法内联、 数组边界检查消除、锁消除、锁粗化等

0x03 AOT 编译器：源代码直接到机器码

AOT 编译器的基本思想是：在程序执行前将源码直接生成 Java 方法的本地代码，以便在程序运行时直接使用本地代码。

但是 Java 语言本身的动态特性带来了额外的复杂性，影响了 Java 程序静态编译代码的质量。例如 Java 语言中的动态类加载，因为 AOT 是在程序运行前编译的，所以无法获知这一信息，所以会导致一些问题的产生。类似的问题还有很多，这里就不一一举例了。

总的来说，AOT 编译器从编译质量上来看，肯定比不上 JIT 编译器。其存在的目的在于避免 JIT 编译器的运行时性能消耗或内存消耗，或者避免解释程序的早期性能开销。

在运行速度上来说，AOT 编译器编译出来的代码比 JIT 编译出来的慢，但是比解释执行的快。而编译时间上，AOT 也是一个中等的速度。所以说，AOT 编译器的存在是 JVM 牺牲质量换取性能的一种策略。就如 JVM 其运行模式中选择 Mixed 混合模式一样，使用 C1 编译模式只进行简单的优化，而 C2 编译模式则进行较为激进的优化。充分利用两种模式的优点，从而达到最优的运行效率。

0x04 思考

• 为什么Java不直接解释执行源码？

1. 使用字节码，可以避免每次执行时词法、语法、语义分析之类的重复性工作。
2. 字节码更便于虚拟机读取，不用在解析字符串，所以运行速度比直接解析源代码快。
3. 语法是会变的，而源代码中没有版本信息，而字节码中不但有版本信息，还可以经由编译过程抹平一些语言层面的变化（即语言语法虽然有变化，但字节码依然遵照原来的规则即可）。
4. 字节码也可以由其他语言生成，如Groovy，Clojure，Scala。需要注意的事，既然这些语言可以编译成字节码，也就可以被Java或其他JVM语言调用。
5. 字节码比源码更加紧凑，文件尺寸更小，方便网络传输。
6. 有些嵌入设备，不够资源跑起完整的编译器，这些设备只需要嵌入一个小巧的JVM就行了，在额外的平台上编译源码。

0x05 解释器FAQ

1. 解释器是一个转换高级语言源码到机器编码的程序？
   错误。
   这是编译器干的事。解释器用来解释执行非本地代码（如Java的字节码）
2. Java解释器的输入是二进制代码（前端编译中由java编译器将源码编译为二进制字节码）？
   正确
3. Java解释器是JVM的一部分，他运行在JVM中，所以解释器将生成由JVM运行的代码？
   错误
   字节码解释器是JVM的一部分，但是并不运行在JVM中。而且字节码解释器不产出任何东西，而是直接解释执行字节码
4. 解释器用字节码生成中间代码和目标机器代码，并提交给JVM？
   错误
   以上工作是JVM做的事情
5. JVM轮流在实现或运行JVM的OS平台上执行该代码？
   错误
   JVM使用字节码、优化后的用户代码、包含java lib和本地代码的java内库，以及OS调用来执行java应用程序。

0x06 总结

使用解释器实现的编程语言实现里，通常：
- 至少会在解释执行前做完语法分析，然后通过树解释器来实现解释执行；
- 兼顾易于实现、跨平台、执行效率这几点，会选择使用字节码解释器实现解释执行

在 JVM 中有三个非常重要的编译器，它们分别是：前端编译器、JIT 编译器、AOT 编译器。

• 前端编译器，最常见的就是我们的 javac 编译器，其将 Java 源代码编译为 Java 字节码文件。

• JIT 即时编译器，最常见的是 HotSpot 虚拟机中的 Client Compiler 和 Server Compiler，其将 Java 字节码编译为本地机器代码。

• 而 AOT 编译器则能将源代码直接编译为本地机器码。

• 这三种编译器的编译速度和编译质量如下：

• 编译速度上，解释执行 > AOT 编译器 > JIT 编译器。

• 编译质量上，JIT 编译器 > AOT 编译器 > 解释执行。

• 而在 JVM 中，通过这几种不同方式的配合，使得 JVM 的编译质量和运行速度达到最优的状态。

参考文档

《深入理解Java虚拟机》

对java平台的理解、java是解释执行吗？

Java为什么解释执行时不直接解释源码？

虚拟机随谈（一）：解释器，树遍历解释器，基于栈与基于寄存器，大杂烩

HotSpot模板解释器目标代码生成过程源码分析

How exactly does the Java interpreter or any interpreter work?