深入JVM - JIT分层编译技术与日志详解

铁锚2023-08-14 20:15

深入JVM - JIT分层编译技术与日志详解

文章目录

  • [深入JVM - JIT分层编译技术与日志详解](#深入JVM - JIT分层编译技术与日志详解)
    • [1. 背景简介](#1. 背景简介)
    • [2. JIT 编译器](#2. JIT 编译器)
      • [2.1. 客户端版本的编译器: C1](#2.1. 客户端版本的编译器: C1)
      • [2.2. 服务端版本的编译器: C2](#2.2. 服务端版本的编译器: C2)
      • [2.3. Graal JIT 编译器](#2.3. Graal JIT 编译器)
    • [3. 分层编译技术(Tiered Compilation)](#3. 分层编译技术(Tiered Compilation))
      • [3.1. 汇聚两种编译器的优点](#3.1. 汇聚两种编译器的优点)
      • [3.2. 精准优化(Accurate Profiling)](#3.2. 精准优化(Accurate Profiling))
      • [3.3. 代码缓存池(Code Cache)](#3.3. 代码缓存池(Code Cache))
      • [3.4. 逆优化(Deoptimization)](#3.4. 逆优化(Deoptimization))
    • [4. 编译级别(Compilation Levels)](#4. 编译级别(Compilation Levels))
      • [4.1. Level 0 - 解释后的代码](#4.1. Level 0 - 解释后的代码)
      • [4.2. Level 1 - C1简单编译的代码](#4.2. Level 1 - C1简单编译的代码)
      • [4.3. Level 2 - 受限后C1编译的代码](#4.3. Level 2 - 受限后C1编译的代码)
      • [4.4. Level 3 - C1完全编译的代码](#4.4. Level 3 - C1完全编译的代码)
      • [4.5. Level 4 - C2编译的代码](#4.5. Level 4 - C2编译的代码)
    • [5. 编译器参数设置](#5. 编译器参数设置)
      • [5.1. 禁用分层编译](#5.1. 禁用分层编译)
      • [5.2. 设置各个层级编译的触发阈值(Threshold)](#5.2. 设置各个层级编译的触发阈值(Threshold))
    • [6. 方法编译](#6. 方法编译)
      • [6.1. 编译日志格式](#6.1. 编译日志格式)
      • [6.2. 演示代码](#6.2. 演示代码)
      • [6.3. 解读编译日志](#6.3. 解读编译日志)
        • [6.3.1. 时间戳](#6.3.1. 时间戳)
        • [6.3.2. 级别1](#6.3.2. 级别1)
        • [6.3.3. 级别3](#6.3.3. 级别3)
        • [6.3.4. 级别4](#6.3.4. 级别4)
        • [6.3.5. 栈上替换](#6.3.5. 栈上替换)
        • [6.3.6. 级别4和栈上替换](#6.3.6. 级别4和栈上替换)
        • [6.3.7. 逆优化](#6.3.7. 逆优化)
        • [6.3.8. 级别2](#6.3.8. 级别2)
        • [6.3.9. 再次优化](#6.3.9. 再次优化)
        • [6.3.9. 方法退出](#6.3.9. 方法退出)
    • [7. 小结](#7. 小结)
    • 参考文档

1. 背景简介

JVM在运行时执行字节码(bytecode)有两种模式:

  • 第一种是解释执行模式(interprets), 理论上执行速度较慢, 特别是大规模的循环和计算任务;
  • 另一种是编译运行模式(JIT, just-in-time compilation, 即时编译), 可以大幅度提升性能, 平均有几十倍上百倍的提升比例。

java -version 命令, 输出内容中的 mixed mode, 就是这个意思。

看看JDK11的示例:

sh 复制代码 
% java -version
java version "11.0.6" 2020-01-14 LTS
Java(TM) SE Runtime Environment 18.9 (build 11.0.6+8-LTS)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM 18.9 (build 11.0.6+8-LTS, mixed mode)

输出内容中的 mixed mode 表示混合模式, 也就是混合使用 编译模式和解释模式。

再看看JDK8的示例:

sh 复制代码 
$ java -version

openjdk version "1.8.0_191"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_191-b12)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)

查看解释执行和编译执行的相关启动参数:

sh 复制代码 
java -X
    ...省略部分内容...
    -Xint             仅解释模式执行
    -Xmixed           混合模式执行（默认值）
    -Xcomp            在首次调用时强制编译方法

    -Xms<大小>        设置初始 Java 堆大小
    -Xmx<大小>        设置最大 Java 堆大小
    -Xdiag            显示附加诊断消息
    -Xinternalversion
                      显示比 -version 选项更详细的 JVM版本信息
    -XshowSettings:all
                      显示所有设置并继续
    -XshowSettings:vm
                      显示所有与 vm 相关的设置并继续
    -XshowSettings:system
                      （仅 Linux）显示主机系统或容器配置并继续
    -Xss<大小>        设置 Java 线程堆栈大小
    -Xverify          设置字节码验证器的模式

在一般并发量的CRUD程序中, 两种方式在宏观上可能看不出明显的性能差异, 因为时间主要消耗在CPU之外的其他地方, 比如网络和IO交互之类的等待操作。

JIT编译器可以大幅提升程序性能, 分为两款;

  • 一款称之为 客户端编译器(Client Complier), 设计目标是为了让Java程序快速启动; 主要使用场景是 AWT/Swing 之类的图形界面客户端;
  • 另一款称为 服务端编译器(Server Complier), 设计目标是为了在整体上有更好的性能表现; 顾名思义, 主要使用场景就是长时间持续运行的服务端系统。

在老一点的 Java 版本中, 我们可以通过启动参数, 明确指定 Hotspot JVM 使用哪一款即时编译器;

为了兼容更复杂的使用场景, 达成更好的性能表现, 从 Java 7 版本开始, 引入了分层编译技术(tiered compilation)。

本文先介绍这两款JIT编译器; 再详细介绍分层编译技术(Tiered Compilation)和其中的5种编译级别; 最后通过具体示例, 分析编译日志, 深入了解JIT编译的运行原理。

2. JIT 编译器

JIT 编译器, 也就是即时编译器(JIT compiler), 作用是将执行频率较高的字节码(bytecode)编译为本地机器码(native code)。

频繁执行的代码被称为 热点代码(hotspots), 这就是 Hotspot JVM 这个名字的由来。

通过即时编译技术, Java 程序的执行性能大幅提升, 和纯编译类型的语言相差不多。

当然, 在实际的软件开发实践中, 代码质量也是对性能影响很大的一个因素。

使用高级语言开发的复杂系统, 比起用低级语言开发, 在同样的 "开发成本" 下, 高级语言系统的综合质量要优越很多。

Hotspot JVM 提供了 2 种类型的JIT编译器:

  • 客户端版本的编译器: C1
  • 服务端版本的编译器: C2

2.1. 客户端版本的编译器: C1

客户端版本的编译器(client compiler), 技术领域称之为 C1(编译器1), 是JVM内置的一款即时编译器, 其中一个设计目标是为了让 Java应用启动更快完成. 所以会将字节码尽可能地优化, 并快速编译为机器代码.

最初, C1主要的应用场景是生命周期较短的客户端应用程序, 对这类应用而言, 启动时间是一个很重要的非功能性需求。

在 Java8 之前的版本中, 可以指定 -client 启动参数来设置 C1 编译器, 但在Java8以及更高的Java版本中, 这个参数就没有任何作用了, 保留下来只是为了不报错, 以兼容之前的启动脚本。

验证命令: java -client -version

2.2. 服务端版本的编译器: C2

服务端版本的编译器(server compiler), 技术领域称之为 C2(编译器2), 是一款性能更好的, JVM内置的即时编译器(JIT compiler), 适用于生命周期更长的应用程序, 主要的使用场景就是服务端应用。

C2会监测和分析编译后的代码执行情况, 通过这些分析数据, 就可以生成和替换为更优化的机器代码。

在Java8之前的版本中, 需要指定 -server 启动参数来设置 C2 编译器, 但在 Java8 以及更高的Java版本中, 这个参数就没有任何作用了, 保留下来也是为了不报错。

验证命令: java -server -version

输出内容和前面的client模式没有

2.3. Graal JIT 编译器

Java 10及之后的版本, 开始支持 Graal JIT 编译器, 这是一款可以平替 C2 的编译器。

其特征是既支持即时编译模式(just-in-time compilation mode), 也支持预先编译模式(ahead-of-time compilation mode)。

预先编译模式就是在程序启动之前, 将Java字节码全部编译为本地代码。

3. 分层编译技术(Tiered Compilation)

相比C1编译器, 对同一个方法进行编译时, C2编译器需要消耗更多CPU和内存资源, 但可以生成高度优化,性能卓越的本地代码。

从Java 7 版本开始, JVM引入了分层编译技术, 目标是综合利用 C1 和 C2, 实现快速启动和长期高效运行之间的平衡。

3.1. 汇聚两种编译器的优点

分层编译的整个过程如下图所示:

第一阶段:

应用启动之后, JVM先是解释执行所有的字节码, 并采集方法调用相关的各种信息。

接下来, JIT 编译器对采集到的数据进行分析, 找出热点代码。

第二阶段:

启动C1, 将频繁执行的方法, 快速编译为本地机器码。

第三阶段:

收集到足够的信息以后, C2介入;

C2会消耗一定的CPU时间来进行编译, 采用更激进的方式, 将代码重新编译为高度优化的本地机器码, 以提高性能。

总体来看, C1 快速提高代码执行效率, C2基于热点代码进行分析, 让编译后的本地代码性能再次提升。

3.2. 精准优化(Accurate Profiling)

分层编译的另一个好处, 是可以更准确地分析代码。

在没有分层编译的Java版本中, JVM只能在解释期间采集需要的优化信息。

有了分层编译后, JVM还在 C1 编译后的代码执行过程中采集信息。 由于编译后的代码具备了更好的性能, 也就可以容忍JVM执行更多的数据分析采样。

3.3. 代码缓存池(Code Cache)

Code cache 是JVM中的一块内存区域, 用来存储JIT编译后生成的所有本地机器码。

使用分层编译技术, 代码缓存需要的内存使用量, 增长到了原来的4倍左右。

Java 9 以及之后的版本, 将 JVM 的代码缓存池分成三块区域:

  • 非Java方法使用的代码缓存区(non-method): 存储 JVM 内部的本地代码; 默认大小是 5 MB 左右, 可通过启动参数 -XX:NonNMethodCodeHeapSize 指定。
  • 带信息收集的代码缓存区(profiled-code): 存放 C1 编译后的本地代码; 一般来说这部分代码的存活周期并不长, 默认大小是 122 MB 左右, 可通过启动参数 -XX:ProfiledCodeHeapSize 指定。
  • 不带信息收集的代码缓存区(non-profiled): 存放 C2 编译和优化后的本地代码; 一般来说这部分代码的存活周期较长, 默认大小也是 122 MB 左右, 可通过启动参数 -XX:NonProfiledCodeHeapSize 指定。

将代码缓存池拆分为多块, 整体性能提升了不少, 因为编译后相关的代码贴得更近(code locality), 并减少了内存碎片问题(memory fragmentation)。

3.4. 逆优化(Deoptimization)

虽然 C2 编译后是高度优化的本地代码, 一般会长时间留存, 但有时候也会发生逆优化操作。

结果就是对应的代码回退到 JVM 解释模式。

逆优化发生的原因是编译器的乐观预期被打破, 例如, 如果收集到的分析信息, 与方法的实际行为不匹配时:

在这个场景中, 一旦热点路径发生改变, JVM 就会逆优化之前编译过的, 内联优化的代码。

4. 编译级别(Compilation Levels)

JVM 内置了解释器, 以及2款JIT编译器, 共有5种可能的编译级别;

C1 可以在3种编译级别上操作, 这3种级别间的区别在于采样分析工作是否完成。

4.1. Level 0 - 解释后的代码

JVM启动之后, 解释执行所有的Java代码。 在这个初始阶段, 性能一般比不上编译语言。

但是, JIT编译器在预热阶段后启动, 并在运行时编译热代码。

JIT编译器通过分析 级别0(Level 0) 时期收集的采样信息来执行优化。

4.2. Level 1 - C1简单编译的代码

在 Level 1 这个级别, JVM使用C1编译器编译代码, 但不会进行任何分析数据采样。 JVM将级别1用于简单的方法。

很多方法没有什么复杂性, 即便是使用C2再编译一次也不会提升什么性能, 比如 Getter, Setter 之类的方法。

因此, JVM得出的结论是, 采集分析信息也无法优化性能, 所以采集了也没什么用, 干脆不植入采集逻辑。

4.3. Level 2 - 受限后C1编译的代码

在 Level 2 级别, JVM使用C1编译器编译代码, 并进行简单的采样分析。

当C2的待编译队列满了(受限), JVM就会使用这个级别。目标是尽快编译代码以提高性能。

稍后, JVM在 Level 3 级别重新编译代码, 附带完整的采样分析。

最后, 如果C2队列不再繁忙, JVM将在 Level 4 级别重新编译。

4.4. Level 3 - C1完全编译的代码

在 Level 3 级别, JVM使用 C1 编译出具有完整采样分析的代码。

级别3是 `默认编译路径`` 的一部分。

因此, 除了简单的方法, 或者编译器队列排满了, JVM在其他所有情况下都使用这个级别来编译。

JIT编译中最常见的场景, 是直接从解释后的代码(Level 0级） 跳到 Level 3 级别。

4.5. Level 4 - C2编译的代码

在 Level 4 这个级别, JVM使用C2来执行代码编译, 以获得最强的长期性能。

级别4也是 默认编译路径 的一部分。 除简单方法外, JVM用这个级别来编译其他的所有方法。

第4级代码被假定是完全优化后的代码, JVM将停止收集分析信息。

但是, 也有可能会取消优化并将其回退至 Level 0 级别。

5. 编译器参数设置

Java 8 版本之后, 默认启用了分层编译。 除非有说得过去的特殊理由, 否则不要禁用分层编译。

5.1. 禁用分层编译

通过设置 --XX:-TieredCompilation, 来禁用分级编译。

用减号(-TieredCompilation)禁用这个标志时, JVM就不会在编译级别之间转换。

所以还需要选择使用的JIT编译器: C1, 还是C2。

如果没有明确指定, JVM将根据CPU特征来决定默认的JIT编译器。

对于多核处理器或64位虚拟机, JVM将选择C2。

如果要禁用C2, 只使用C1, 不增加分析的性能损耗, 可以传入启动参数 -XX:TieredStopAtLevel=1。

要完全禁用JIT编译器, 使用解释器来运行所有内容, 可以指定启动参数 -Xint。 当然, 禁用JIT编译器会对性能产生一些负面影响。

某些情况下, 比如程序代码中使用了复杂的泛型组合, 由于JIT优化可能会擦除泛型信息, 这时候可以尝试禁用分层编译或者JIT编译。
对于并发量很小的简单CRUD程序而言, 因为CPU计算量在整个处理链路上的时间占比很小, 解释执行和编译执行的区别并不明显。

5.2. 设置各个层级编译的触发阈值(Threshold)

编译阈值(compile threshold), 是指在代码被编译之前, 方法调用需要到达的次数。

在分层编译的情况下, 可以为 2~4 的编译级别设置这些阈值。

例如, 我们可以将 Tier4 的阈值降低到1万: -XX:Tier4CompileThreshold=10000。

java -version 是一个探测JVM参数很好用的手段。

例如, 我们可以带上 -XX:+PrintFlagsFinal 标志来运行 java -version, 检查某个Java版本上的默认阈值,

Java 8 版本的参数示例如下:

sh 复制代码 
java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep Threshold

 intx BackEdgeThreshold                         = 100000    {pd product}
 intx BiasedLockingBulkRebiasThreshold          = 20        {product}
 intx BiasedLockingBulkRevokeThreshold          = 40        {product}
uintx CMSPrecleanThreshold                      = 1000      {product}
uintx CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold        = 2097152   {product}
uintx CMSWorkQueueDrainThreshold                = 10        {product}
uintx CMS_SweepTimerThresholdMillis             = 10        {product}
 intx CompileThreshold= 10000     {pd product}
 intx G1ConcRefinementThresholdStep             = 0         {product}
uintx G1SATBBufferEnqueueingThresholdPercent    = 60        {product}
uintx IncreaseFirstTierCompileThresholdAt       = 50        {product}
uintx InitialTenuringThreshold                  = 7         {product}
uintx LargePageHeapSizeThreshold                = 134217728 {product}
uintx MaxTenuringThreshold                      = 15        {product}
 intx MinInliningThreshold                      = 250       {product}
uintx PretenureSizeThreshold                    = 0         {product}
uintx ShenandoahAllocationThreshold             = 0         {product rw}
uintx ShenandoahFreeThreshold                   = 10        {product rw}
uintx ShenandoahFullGCThreshold                 = 3         {product rw}
uintx ShenandoahGarbageThreshold                = 60        {product rw}
uintx StringDeduplicationAgeThreshold           = 3         {product}
uintx ThresholdTolerance                        = 10        {product}
 intx Tier2BackEdgeThreshold                    = 0         {product}
 intx Tier2CompileThreshold                     = 0         {product}
 intx Tier3BackEdgeThreshold                    = 60000     {product}
 intx Tier3CompileThreshold                     = 2000      {product}
 intx Tier3InvocationThreshold                  = 200       {product}
 intx Tier3MinInvocationThreshold               = 100       {product}
 intx Tier4BackEdgeThreshold                    = 40000     {product}
 intx Tier4CompileThreshold                     = 15000     {product}
 intx Tier4InvocationThreshold                  = 5000      {product}
 intx Tier4MinInvocationThreshold               = 600       {product}

openjdk version "1.8.0_191"
OpenJDK Runtime Environment (build 1.8.0_191-b12)
OpenJDK 64-Bit Server VM (build 25.191-b12, mixed mode)

Java 11 版本的参数示例如下:

sh 复制代码 
java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep Threshold

 intx BiasedLockingBulkRebiasThreshold         = 20              {product} {default}
 intx BiasedLockingBulkRevokeThreshold         = 40              {product} {default}
uintx CMSPrecleanThreshold                     = 1000            {product} {default}
size_t CMSScheduleRemarkEdenSizeThreshold      = 2097152         {product} {default}
uintx CMSWorkQueueDrainThreshold               = 10              {product} {default}
uintx CMS_SweepTimerThresholdMillis            = 10              {product} {default}
 intx CompileThreshold                         = 10000        {pd product} {default}
double CompileThresholdScaling                 = 1.000000        {product} {default}
size_t G1ConcRefinementThresholdStep           = 2               {product} {default}
uintx G1SATBBufferEnqueueingThresholdPercent   = 60              {product} {default}
uintx IncreaseFirstTierCompileThresholdAt      = 50              {product} {default}
uintx InitialTenuringThreshold                 = 7               {product} {default}
size_t LargePageHeapSizeThreshold              = 134217728       {product} {default}
uintx MaxTenuringThreshold                     = 15              {product} {default}
 intx MinInliningThreshold                     = 250             {product} {default}
size_t PretenureSizeThreshold                  = 0               {product} {default}
uintx StringDeduplicationAgeThreshold          = 3               {product} {default}
uintx ThresholdTolerance                       = 10              {product} {default}
 intx Tier2BackEdgeThreshold                   = 0               {product} {default}
 intx Tier2CompileThreshold                    = 0               {product} {default}
 intx Tier3AOTBackEdgeThreshold                = 120000          {product} {default}
 intx Tier3AOTCompileThreshold                 = 15000           {product} {default}
 intx Tier3AOTInvocationThreshold              = 10000           {product} {default}
 intx Tier3AOTMinInvocationThreshold           = 1000            {product} {default}
 intx Tier3BackEdgeThreshold                   = 60000           {product} {default}
 intx Tier3CompileThreshold                    = 2000            {product} {default}
 intx Tier3InvocationThreshold                 = 200             {product} {default}
 intx Tier3MinInvocationThreshold              = 100             {product} {default}
 intx Tier4BackEdgeThreshold                   = 40000           {product} {default}
 intx Tier4CompileThreshold                    = 15000           {product} {default}
 intx Tier4InvocationThreshold                 = 5000            {product} {default}
 intx Tier4MinInvocationThreshold              = 600             {product} {default}

java version "11.0.6" 2020-01-14 LTS
Java(TM) SE Runtime Environment 18.9 (build 11.0.6+8-LTS)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM 18.9 (build 11.0.6+8-LTS, mixed mode)

主要关注以下几个 CompileThreshold 标志:

sh 复制代码 
java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep CompileThreshold
intx CompileThreshold = 10000
intx Tier2CompileThreshold = 0
intx Tier3CompileThreshold = 2000
intx Tier4CompileThreshold = 15000

需要注意, 如果启用了分层编译, 那么通用的编译阈值参数 CompileThreshold = 10000 不再生效。

6. 方法编译

方法编译(method compilation)的生命周期如下图所示:

总体来说, 一个方法最初由 JVM 解释执行。 直到调用次数达到 Tier3CompileThreshold 指定的阈值。

达到阈值后, JVM就会使用C1编译器来编译该方法, 同时继续采集分析信息。

当方法调用次数达到 Tier4CompileThreshold 时, JVM使用C2编译器来编译该方法。

当然, JVM有可能会取消 C2编译器对代码的优化。 那么这个过程就可能会来回反复。

6.1. 编译日志格式

默认情况下, JVM 是禁止输出 JIT编译日志 的。 想要启用, 需要设置启动参数 -XX:+PrintCompilation。

编译日志的格式包括这些部分:

  • 时间戳(Timestamp) -- 编译时距离JVM启动时间的毫秒值。 很多JVM日志的时间都是这个相对时间。
  • 编译ID(Compile ID) -- 每个被编译的方法对应的自增ID。
  • 属性状态(Attributes) -- 编译任务对应的状态有5种可能的取值:
    • % -- 栈上替换(On-stack replacement)
    • s -- 该方法是 synchronized 方法
    • ! -- 方法中包含异常捕获块(exception handler)
    • b -- 阻塞模式(blocking mode)
    • n -- 本地方法标志(native method), 实际上编译的是包装方法
  • 编译级别: 取值为 0 到 4
  • 方法名称(Method name)
  • 字节码大小(Bytecode size)
  • 逆优化指示标志, 有2种可能的取值:
    • 置为不可进入(made not entrant) -- 比如发生标准的 C1 逆优化, 或者编译器的乐观推断错误。
    • 置为僵死模式(made zombie) -- 不再使用, 随时可清理, 垃圾收集器在释放 code cache 空间时的一种清理机制。

某一行编译日志样例如下:

java 复制代码 
# 这里为了排版进行了折行
2258 1324 %     4
       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2
        (58 bytes)  made not entrant

从左到右简单解读:

  • 2258 就是距离JVM启动的时间戳毫秒数;
  • 1324 就是某一个方法对应的编译ID, 有多条编译记录的情况下, 可以用这个id来定位。
  • % 表示栈上替换;
  • 4 表示编译级别是第4级别(取值0-4)
  • com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main 表示方法
  • @ 2 这个不是必须的, 分析编译日志可以看到其他的数字, 总是和 % 栈上替换一起出现, 可能和栈内存槽位有关。
  • (58 bytes) 表示该方法对应的字节码为 58字节。
  • made not entrant 如果有这串字符, 就是逆优化指示标志。

JDK11执行的某一次编译日志样例可以参考文件: compile-log-sample.txt

6.2. 演示代码

下面通过一个具体的示例, 来展示方法编译的生命周期。

首先创建一个简单的 Formatter 接口:

java 复制代码 
package com.cncounter.demo.compile;

public interface Formatter {
    <T> String format(T object) throws Exception;
}

然后创建一个 JSON 格式的简单实现类 JsonFormatter:

java 复制代码 
package com.cncounter.demo.compile;
import com.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException;
import com.fasterxml.jackson.databind.json.JsonMapper;

public class JsonFormatter implements Formatter {

    private static final JsonMapper mapper = new JsonMapper();
    @Override
    public <T> String format(T object) throws JsonProcessingException {
        return mapper.writeValueAsString(object);
    }
}

代码中对应的依赖可以到 https://mvnrepository.com 网站搜索:

严格来说, 格式化和序列化是有区别的: 格式化=将对象转换为字符串; 序列化=将对象转换为字节序列。

再创建一个 XML 格式化的实现类 XmlFormatter:

java 复制代码 
package com.cncounter.demo.compile;

import com.fasterxml.jackson.core.JsonProcessingException;
import com.fasterxml.jackson.dataformat.xml.XmlMapper;

public class XmlFormatter implements Formatter {

    private static final XmlMapper mapper = new XmlMapper();

    @Override
    public <T> String format(T object) throws JsonProcessingException {
        return mapper.writeValueAsString(object);
    }

}

以及一个简单的类 Article:

java 复制代码 
package com.cncounter.demo.compile;

public class Article {

    private String name;
    private String author;

    public Article(String name, String author) {
        this.name = name;
        this.author = author;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public String getAuthor() {
        return author;
    }

}

将这几个类准备好之后, 编写一个包含 main 方法的类, 来调用这两个格式化程序.

java 复制代码 
package com.cncounter.demo.compile;

public class TieredCompilation {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int i = 0; i < 1_000_000; i++) {
            Formatter formatter;
            if (i < 500_000) {
                formatter = new JsonFormatter();
            } else {
                formatter = new XmlFormatter();
            }
            formatter.format(new Article("Tiered Compilation in JVM", "CNC"));
        }
    }

}

for循环中有 if 语句来判断循环次数, 先调用的是 JsonFormatter 实现, 一定次数之后, 调用的是 XmlFormatter 实现。

代码编写完成后, 执行程序时, 需要指定 JVM 启动参数 -XX:+PrintCompilation, 注意启动参数的加号(+)用来开启这个开关, 如果是减号(-)则表示关闭。

执行程序之后, 可以看到对应的编译日志。

JDK11执行的某一次编译日志样例可以参考文件: compile-log-sample.txt

6.3. 解读编译日志

提示: 多次执行同一个程序, 对应的编译日志可能都不一样, 需要具体情况具体分析。

输出的编译日志内容较多, 使用 JDK11 某一次执行的日志样例可以参考文件: compile-log-sample.txt

使用管道 | grep cncounter, 过滤出感兴趣的部分:

java 复制代码 
cat compile-log-sample.txt| grep cncounter

1023  788       1       com.cncounter.demo.compile.Article::getName (5 bytes)
1025  789       1       com.cncounter.demo.compile.Article::getAuthor (5 bytes)

1032  800       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::<init> (5 bytes)
1032  801       3       com.cncounter.demo.compile.Article::<init> (15 bytes)
1041  820       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)

1122  903       4       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::<init> (5 bytes)
1123  800       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::<init> (5 bytes)   made not entrant
1123  904       4       com.cncounter.demo.compile.Article::<init> (15 bytes)
1124  801       3       com.cncounter.demo.compile.Article::<init> (15 bytes)   made not entrant

1132  932 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1133  933       3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main (58 bytes)

1146  905       4       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)
1281  820       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)   made not entrant
1281  934 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1285  932 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant

1346  934 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant
1350  933       3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main (58 bytes)   made not entrant
1361  905       4       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)   made not entrant

1543 1228       2       com.cncounter.demo.compile.XmlFormatter::<init> (5 bytes)
1546 1235       2       com.cncounter.demo.compile.XmlFormatter::format (8 bytes)

1561 1298 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1577 1310       3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main (58 bytes)
1935 1324 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1939 1298 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant

2258 1324 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant

6.3.1. 时间戳

第一列表示时间戳; 表示距离JVM启动时间点的毫秒数, 可以看到编译日志输出的时间戳是有序的。

下面对其他部分进行简单的解读;

6.3.2. 级别1

最前面的2行编译日志对应 Article 类的 getName 和 getAuthor 方法:

java 复制代码 
1023  788       1       com.cncounter.demo.compile.Article::getName (5 bytes)
1025  789       1       com.cncounter.demo.compile.Article::getAuthor (5 bytes)

这两个get方法的实现很简单, 没什么优化空间。

回顾前面的知识点:

Level 1 这个级别, 表示 C1 简单编译的代码, JVM将级别1用于简单的方法。

6.3.3. 级别3

接下来的编译日志是级别3, 级别1到级别3对应的都是 C1编译器。

java 复制代码 
1032  800       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::<init> (5 bytes)
1032  801       3       com.cncounter.demo.compile.Article::<init> (15 bytes)
1041  820       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)

<init> 方法, 实际上就是编译器将 构造方法 和 实例初始化块 整合后生成的一个方法, 在创建对象时自动调用。

JsonFormatter 类的 format 方法也进入了级别3。

6.3.4. 级别4

接下来的编译日志是级别4, 级别4对应的是 C2编译器。

java 复制代码 
1122  903       4       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::<init> (5 bytes)
1123  800       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::<init> (5 bytes)   made not entrant
1123  904       4       com.cncounter.demo.compile.Article::<init> (15 bytes)
1124  801       3       com.cncounter.demo.compile.Article::<init> (15 bytes)   made not entrant

对应的方法是 <init>, 这个编译日志有点意思。

仔细看这部分日志, 可以发现, 每条级别4的编译日志之后, 都对应着一条低级别的不可进入标志(made not entrant);

原因很好理解, 升级了嘛, 老的就过时了(obsolete)。

6.3.5. 栈上替换

接下来的编译日志还是级别3。

java 复制代码 
1132  932 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1133  933       3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main (58 bytes)

这里的百分号(%)表示发生了栈上替换;

被编译的 main 方法, 正有某个线程在执行该方法, 所以发生了栈上替换。

6.3.6. 级别4和栈上替换

接下来的编译日志是级别4。

java 复制代码 
1146  905       4       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)
1281  820       3       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)   made not entrant
1281  934 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1285  932 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant

JsonFormatter::format 方法的编译升到了级别4, 前面介绍过。

栈上替换的 TieredCompilation::main 方法也升级到了级别4, 并将级别3的部分标记为不可进入。

6.3.7. 逆优化

接下来发生了一些预料之外的事情。

java 复制代码 
1346  934 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant
1350  933       3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main (58 bytes)   made not entrant
1361  905       4       com.cncounter.demo.compile.JsonFormatter::format (8 bytes)   made not entrant

TieredCompilation::main 方法被JVM执行了逆优化;

回顾 main 方法的Java代码, 我们看到, 在执行了50万次循环之后, if 条件的结果改变了。

可能C2做了一些剪枝之类的激进优化, 乐观推断对应的前提条件不再有效, 于是JVM将优化过的代码回退到解释模式。

6.3.8. 级别2

接下来是 XmlFormatter 类的方法编译。

java 复制代码 
1543 1228       2       com.cncounter.demo.compile.XmlFormatter::<init> (5 bytes)
1546 1235       2       com.cncounter.demo.compile.XmlFormatter::format (8 bytes)

回顾一下, 级别2 - C1编译的受限代码;

在 Level 2 级别, JVM使用C1编译器编译代码, 并进行简单的采样分析。

可能是编译队列满了, 或者是被刚才的回退伤了心。 JVM 使用C1对 XmlFormatter::format 方法进行 Level2 的快速编译。

本次执行, 直到程序退出, 也没有对该类的方法继续优化。

6.3.9. 再次优化

又执行一段时间过后, main 方法再次升级了。

java 复制代码 
1561 1298 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1577 1310       3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main (58 bytes)
1935 1324 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)
1939 1298 %     3       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant

这里先是发生了级别3的栈上替换, 以及级别3的编译。

然后又发生了级别4的栈上替换, 以及低级别栈上替换的过时标记。

6.3.9. 方法退出

最后, main 方法执行结束, 对应的方法栈也就不在了。

java 复制代码 
2258 1324 %     4       com.cncounter.demo.compile.TieredCompilation::main @ 2 (58 bytes)   made not entrant

所以栈上替换的 Level 4 优化方法, 也被标记为不可进入。

7. 小结

本文简要介绍了 JVM 中的分层编译技术。

包括两种类型的JIT编译器, 以及分层编译技术如何组合使用他们, 以达成最佳效果。

还详细介绍了5种不同的编译级别, 以及相关的JVM调优参数。

最后是一个具体的案例, 通过打印和分析编译日志, 深入学习了Java方法编译和优化的整个生命周期。

相关的示例代码, 也可以参考: https://github.com/eugenp/tutorials/tree/master/core-java-modules/core-java-lang-4

参考文档

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