JVM执行引擎

执行引擎

• Java虚拟机核心组成部分
• 物理机的执行引擎直接建立在处理器、缓存、指令集和系统层面上
• 虚拟机的执行引擎是由软件自行实现的，不受物理条件限制地定制指令集、执行引擎的结构体系，能够执行不被硬件直接支持的指令集格式

理解

字节码

• JVM主要任务是装载字节码到其内部
• 字节码不能够直接运行在操作系统上，字节码指令并非等价于本地机器指令、内部包含的仅仅是能够被JVM识别的字节码指令、符号表、其他辅助信息
• 执行引擎将字节码指令解释或编译为对应平台dd阿本地机器指令才能运行程序（执行引擎将高级语言翻译为机器指令）
• 中间状态的二进制文件，比机器码抽象，直译后编程机器码
• 编译器将源码转换为字节码，特定平台的虚拟机将字节码转译为可以直接执行的指令

工作流程

• 执行引擎在执行的过程需要执行什么样的字节码指令依赖于PC寄存器
• 执行一项指令后，PC寄存器更新下一条指令
• 方法的执行过程中，执行引擎可能通过存储在局部变量表的对象引用准确定位到存储在Java堆中的对象实例信息、通过对象头中的元数据指针定位到目标对象类型的信息
• 输入的字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果
  

Java代码编译、执行过程

解释器

• Java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（字节码文件的内容翻译为对应平台的本地机器指令执行）
• JIT（Just in time Compiler）：虚拟机将代码直接编译成本地机器平台相关的机器语言
• 为满足Java程序跨平台性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令
• 采用实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序
• 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

解释器类型

• 字节码解释器在执行时通过采用纯软件模拟字节码的执行，效率低
• 模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数直接产生这条字节码执行时的机器码，提高性能
• HotSpot VM中，解释器主要由Interpreter模块（实现了解释器核心功能）、Code模块（管理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令）

JIT编译器

• 为提高效率，将方法编译为机器码后再执行编译执行
• JVM平台支持一种叫即时编译的技术，即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数编译为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码

概念介绍

• 前端编译器：java文件转变成class文件
• 后端编译器：字节码转变为机器码的过程
• 静态提前编译器：直接将java文件编译为本地代码的过程

半编译半解释型语言

• Java1.0定位是解释执行，后来发展出可以直接生成本地代码的编译器，现在Java在执行代码时，通常会会将解释执行、编译执行二者结合起来
• 程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去了编译的时间、立即执行
• 编译器把编译成本地代码需要执行一定的执行执行，编译为本地代码后执行效率高
• 对于服务器，启动时间并非重点（服务器启动，准备服务较长，但启动完毕长时间提供服务），采用解释器、即时编译器并存的架构来换取平衡点
• 虚拟机启动，解释器可以首先发挥作用，不必等待即时编译器全部编译再完成，这样可以省去许多不必要的编译时间
• 随着时间推移，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，提高效率

指令

• 机器码是0、1组成的二进制，可读性差，人们发明了指令（如mov）
• 不同硬件、执行同一个操作，对应的字节码可能不同，不同硬件平台的同一个指令对应的机器码可能不同

热点代码探测

• 热点代码：多次被调用的方法、方法内部循环次数多的循环体
• 编译方式发生在方法的执行过程，因此被称为栈上替换（On Stack Replacement）
• HotSport VM的热点探测方式基于计数器
• 方法调用计数器：统计方法调用次数（阈值在1500，Server模式是10000次）
• 回边计数器：统计循环体的循环次数（字节码遇到控制流向后跳转的指令成为“回边”）
• 方法被调用时，先判断方法是否被JIT编译过，如果存在，就优先使用已编译的版本，如果不存在，计数器加一，然后判断方法调用计数器与回边计数器之和是否超过阈值，已超过阈值，会向即时编译器提交方法的代码编译请求

热度衰减

• 当超过一定时间限度，如果方法的调用次数仍不足让它提交给即时编译器编译，调用计数器将减半，这段时间成为此方法统计的半衰周期
• 热度衰减是在虚拟机垃圾回收时进行的，
• 关闭参数：-XX:-useCounterDecay
• 半衰周期参数：-XX:CounterHalfLifetime（单位秒）

相关参数

• 完全采用解释器模式：-Xint
• 完全采用即时编译器：-Xcomp
• 混合模式：-Xmixed
• 指定运行Client模式：-Client，C1编译器会对字节码简单、可靠的优化，耗时短，更快的编译速度
• 指定运行Server模式：-Server，C2进行耗时较长的优化、激进优化，执行效率高

分层编译

• 程序解释执行（不开启性能监控）可以触发C1编译，将字节码编译为机器码，可以简化优化，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
• 一旦开发人员显式指定了Server模式，默认开启分层编译策略，C1、C2相互协作

优化策略

• C1优化
  • 方法内联：将引用的函数代码编译到引用点处，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：把不会执行的代码折叠掉
• C2优化
  • 标量替换：标量代替聚合对象的属性值
  • 栈上分配：对未逃逸的对象分配到栈上
  • 同步消除：清除同步操作

其他

• Graal编译器编译效果追平了C2编译器
• AOP编译器在程序运行前就将字节码转换为机器码的过程，减少Java应用带来“第一次运行慢”，破坏了“一次编译，到处运行”，必须针对不同硬件、OS编译发行包，降低了Java链接过程的动态性，加载的代码编译期就必须全部已知