JVM全面分析之执行引擎

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执行引擎概述

  “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。

& emsp; 那么，如果想要一个Java程序运行起来，执行引擎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。

执行引擎的执行过程

  1. 执行引擎在执行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
  2. 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
  3. 当然方法在执行过程中，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信息。

java代码编译和执行过程

问题：什么事解释器（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。
JIT（Iust In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码直接编译成和本地及其平台相关的机器语言。

机器码、指令、汇编语言

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团建运行和软件环境、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。

解释器

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，会使用即时编译技术（JIT，Just In Time）将方法编译成机器码后再执行。

  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，这样可以省去很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，将有价值的字节码便以为本地机器指令，以换取更高的程序执行效率。
  同事，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”。

  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无法承载流量而假死。

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编译器（JIT编译器，Just In Time Compiler）把字节码转变成机器码的过程。Hotspot VM的 C1、C2 编译器。
  • 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。GUN Compiler for the Java(GCJ)、Excelsior JET.

热点代码及探测方式

  当然是否需要启动JIT编译器将字节码直接便以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。关于那些需要被便以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，将其直接便以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编译器译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在执行过程中，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR(On Stack Replacement)编译。

  一个方法酒精被调用多少次，或者一个循环体酒精需要执行多少次循环才可以达到这个标准呢？必然需要一个明确的阈值，JIT编译器才会将这些热点代码便以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）用于统计方法的调用次数
  * 回边计数器（Back Edge Counter）则用于统计循环体执行的循环次数。

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。
  • 这个阈值可以通过虚拟机参数-XX:CompileThreshold来认为设定
  • 当一个方法被调用时，会先检查该方法是否被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加1，然后判断方法调用计数器与汇编计数器值之和是否超过方法调用计数器的阈值。如果超过阈值，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及时编译器编译，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。

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”。显然，建立回边计数器统计的目的就是为了触发OSR编译。

-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。

JIT分类：C1、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示指定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 : 制定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。已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）可以出发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Java7版本之后，一旦开发人员在程序中显示指定命令“-server”时，默认将会开启分层编译策略，由C1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
      * 区虚拟化：对唯一的实现类进行内联
      * 同于消除：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：用标量值替换聚合对象的属性值
      * 栈上分配：对于为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。

写在最后

Graal编译器

  • 自JDK10起，Hotspot又加入了一个全新的即时编译器：Graal编译器。（和C1、C2 并列结构）
  • 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，才可以使用

关于AOT编译器（和JIT并列结构）

  • 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。他借助了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，是与及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编译指的是：在程序运行之前，便将字节码转换为机器码的过程。
posted @ 2020-09-05 11:13  窗含西岭  阅读(234)  评论(0)  编辑  收藏  举报