JVM-09-执行引擎

概述

• 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的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本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些 能够被jvm识别的字节码指令，符号表，以及其他辅助信息
• 执行引擎的主要任务就是将字节码指令解释\编译为对应平台的本地机器指令，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

执行引擎的工作过程

Java代码编译和执行过程

• 什么是解释器，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
  • JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言
• 为什么说Java是半编译半解释型语言

机器码、指令、汇编

机器码

• 各种用二进制编码方式表示的指令，叫做机器码指令，这就是机器语言
• 机器语言虽然能够被计算机理解和接收，但和人们的语言差别太大，不易被人理解记忆
• 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紧密相连，所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同

指令

• 由于机器码是由0和1组成的二进制序列，可读性太差，于是人们发明了指令
• 指令就是把机器码中特定的0、1序列简化成对应的指令（一般为英文简写，如mov、inc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，对应的机器码也可能不同

指令集

• 不同的硬件平台，各自支持的指令是由差别的，因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集
• 如：
  • 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

汇编

• 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，用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号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必须翻译成机器指令码，计算机才能识别和执行

高级语言

• 为了使计算机用户编程更加容易，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
• 当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

C/C++源程序执行过程

• 编译过程又可以分为两个阶段，编译和汇编
  • 编译过程：是读取源程序，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

字节码

• 字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件），他比机器码更抽象，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环境和软件环境，与硬件环境无关
• 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，
  • 字节码的典型应用为Java bytecode

解释器

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

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
• 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在运行时生成的本地机器指令

JIT编译器

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），现代虚拟机为了提高执行效率，会使用及时编译技术将方法编译成机器码后再执行

为什么Hotspot中已经内置了JIT编译器了还要保留解释器

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，而不必等待及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

JIT编译器

• 概念解释
  • Java语言的编译期其实是一段不确定的操作过程，因为他可能是指一个前端编译器把.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）直接把.java文件编译成本地机器代码的过程

热点代码及探测方式

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作出深度优化，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，以此都可以通过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，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR（On 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将会为每一个方法都建立两个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器，和回边计数器
  • 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

• 方法调用计数器就用于统计方法的调用次数，默认阈值在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
• 可以通过-XX:CompileThreshold来设定
• 当一个方法被调用时，会先检查该方法参数是否存在被JIT编译过的版本，如果存在，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+1，然后判断方法调用计数器与回边计数器之和是否超过方法调用计数器的阈值。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

回边计数器

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，显然，建立回边计数器统计的目的就是为了触发OSR编译

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，当超过一定从时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让他提交给即时编译器，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程被称之为方法调用计数器热度的衰减，而这段时间就称为此方法统计的半衰周期
• 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-XX:-UseCounterDecay来关闭热端衰减，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来修改半衰周期的时间，单位是秒

使用命令切换编译模式

• -Xint 只使用解释器
• -Xcomp 只使用编译器
• -Xmixed 使用混合模式

JIT分类

在Hotspot中内嵌有两个JIT编译器，分别为Client Compiler和 Server Compiler，简称为C1，C2编译器

• 使用-client 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，已达到更快的编译速度
• 使用-server使用c2编译器
  • c2进行耗时长的优化，以及激进优化，但优化的代码执行效率更高

优化策略

• c1编译器
  • 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编译器的优化主要是在全局层面，逃逸分析是优化的基础
  • 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syncchronized

分层编译策略

一般来说，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，系统稳定执行后，c2执行速度远远快于c1

补充