JVM学习-执行引擎

执行引擎

1. 执行引擎是Java虚拟机核心组成部分之一
2. 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
3. JVM主要任务负责装载字节码到其内部，但字节码并不能直接运行在操作系统上，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。
4. 如果一个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，JVM的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的翻译者

执行引擎工作过程

1. 执行引擎在执行的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执行的指令地址
3. 当方法在执行的过程中，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备定位到存储在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目标对象的类型信息

Java代码编译和执行

• 大部分的程序代码转换为物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过下图各个步骤
  

• Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下
  

• Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成
  

• 什么是解释器(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(Just In Time Compiler)编译器：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

机器码

• 各种用于进制编码方式表示的指令，叫机器指令码
• 机器语言虽然被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，并且编程容易出错
• 用它编写的程序一经输入计算机，CPU直接读取执行，执行速度更快
• 机器指令与CPU紧密相关，所以不同种类CPU所对应的机器指令不同

指令

• 由于机器码有0和1组成二进制序列，可读性差，人们发明了指令
• 指令就是把机器中的0和1序列，简化成对应的指令，可读性稍好
• 由于不同硬件平台，执行同一个操作，对应的机器码可能不同，所以不同硬件平台的同一种指令，对应机器码不同

指令集

• 不同硬件平台，各自支持的指令，是有差别的，每个平台所支持的指令称之为对应平台的指令集

• 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

汇编语言

• 由于指令的可读性还是太差，于是人们发明了汇编语言
• 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地址
• 在不同硬件平台，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语言
  • 由于计算机只认识指令码所以汇编还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写程序更容易，后来出现了更接近人类的高级语言
• 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叫解释程序或编译程序
  

字节码

• 字节码是一种中间状态的二进制代码，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软件运行和软件环境、硬件环境无关
• 字节码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
  • 字节码的典型应用为Java bytecode
    

解释器

• JVM设计进初衷只是单纯为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法
• 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
• 在Java发展历史中，一共有两套解释器，一种为古老的字节码解释器，另一种为目前使用的模板解释器
  • 字节码解释器在执行时通过纯软件代码模氛字节码的执行，效率非常低下
  • 模板解释字将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数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 VM中，解释器由Interpreter模块和Code模块构成。
      • Intercepter实现了解释器的核心功能
      • Code模块用于管理Hotspot VM在运行时生成的本地机器指令

JIT编译器

• 前端编译器
  • Sun的Javac
  • Eclipse JDT中的增量式编译器(ECJ)
• 后端编译器
  • JIT编译器(后端运行期编译器)
    • Hotspot VM的C1、C2编译器
  • AOT编译器(静态提前编译器)
    • GNU Compiler for the Java(GCJ)
    • Excelsior JET

有了JIT，为什么还需要解释器

• 当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译时间，立即执行
• 编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间，但编译为本地代码后，执行效率高
• 对于服务器端应用，启动时间并非是关注重点，但对于看中启动时间的应用场景而言，采用解释器与即时编译器共存的架构换取一个平衡点，Java虚拟机启动时，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后再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间，随着时间推移，编译器发挥作用，根据热点探测功能，把越来越多的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率
• 解释执行在编译激进优化不成立时，作为编译器的"逃生门"

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，关于那些需要被编译为本地代码的字节码，称为"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，将其直接编译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，或一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称为热点代码，因此可以通过JIT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，因此称为栈上替换或OSR(On Stack Replacement)编译
• 一个方法究竟要被调用多少次，或者循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到这个标准，需要一个明确的阈值，依靠热点探测功能
• 目前Hotspot采用基于计数器的热点探测
• 采用计数器的热点探测，Hotspot VM将为每个方法建立2个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器(Invocation Counter)和回边计数器(Back Edge Counter)
  • 方法调用计数器用于统计方法的调用次数
    • 默认阈值在Client模式下1500次，在Server模式下10000次，超过这个阈值，会触发JIT编译
    • 阈值可能通过虚拟机参数-XX：CompileThreshold来人为设定
    • 当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被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，不存在，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回边计数器之各是否超过方法阈值。如果超过，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制 ，如果方法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)，而这段时间称为方法统计的半衰周期(Counter Half Life Time)
      • 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，单位秒
  • 回边计数器用于统计循环体执行的循环次数
    • 在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为"回边"，建立回边计数器统计的目的是为了触发OSR编译
      

修改VM编译模式

• -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，如即时编译出现问题，解释器会介入执行
• -Xmixed：采用解释器和即时编译器混合模式共同执行程序(默认)

/**
 * 测试三种模式
 * -Xint：花费时间：4453
 * -Xcomp：花费时间：594
 * -Xmixed:花费时间：672
 */
public class IntCompTest {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();
        testPrimeNumber(1000000);
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("花费时间：" + (end - start));
    }

    private static void testPrimeNumber(int counter) {

        for (int i = 0; i < counter; i++) {
            //计算100内质数
            label:
            for (int j = 2; j < 100; j++) {
                for (int k = 2; k<=Math.sqrt(j); k++) {
                    if (j % k == 0) {
                        continue label;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

Hotspot JIT分类

• Client Compiler
  *

  • client：指定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，以达到更快的编译速度
  • 优化策略
    • 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

• Server Compiler

  • -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，但优化代码执行效率更高
    • 优化策略,在全局层面，逃逸分析是优化基础
      • 标量替换：用于标量值代替聚合对象的属性值
      • 线上分配：对于未逃逸的对象分配对象在栈而不在堆
      • 同步消除：消除同步操作，通常指sychronized