Java - JIT即时编译器
Java - JIT即时编译器
- 前言
- 一. JVM编译器
- 1.1 Client Compiler
- 1.2 Server Compiler
- 1.2.1 C2 Compiler
- 1.2.2 Graal Compiler
- 二. JIT和编译优化
- 2.1 中间表达形式（IR）
- 2.2 方法内联
- 2.3 逃逸分析
- 2.4 Loop Transformations
- 2.5 窥孔优化与寄存器分配
前言
我们知道，Java有着“一次编译，处处运行”的特性，会将编译阶段分成两部分：
- 前端编译：由
javac编译成字节码，该过程会进行词法分析、语法分析、语义分析。 - 后端编译：由
解释器将字节码解释为机器码来执行。
而后端编译又可以根据执行的方式来分为两种：
- 解释执行：一行一行解释成机器码再执行，每次调用时都需要重新逐条解释执行。
- 编译执行JIT（Just In Time）：将执行的比较多的热点代码编译优化成本地代码，提高执行效率。（好比加了缓存）
热点代码：
当方法或者代码块在一定时间内的调用次数超过JVM规定的阈值，则会被编译，存入codeCache中。
codeCache：
代码缓存区,主要存放JIT所编译的代码,同时还有Java所使用的本地方法代码也会存储在codecache中，例如
Object.wait(),Object.notify()等被native修饰的都是所谓的本地方法。
Java编译的整个过程为：
一. JVM编译器
JVM有两种编译器：
- Client Compiler（C1编译模式）：着重于启动速度和局部优化。
- Server Compiler（C2编译模式）：着重于全局优化。性能更好，但是启动速度慢。
对于HotSpot而言，一共有三种编译模式：
- 混合模式（Mixed Mode）：C1和C2编译模式混合起来使用（默认的模式），若希望单独使用C1编译模式或者C2编译模式，分别使用
-client，-server参数来打开。 - 解释模式（Interpreted Mode）：
- 编译模式（Compiled Mode）：
输入命令java -vsersion可以查看当前的编译模式：
1.1 Client Compiler
HotSpot VM中的Client Compiler为C1编译器，启动速度快，主要做三件事情：
- 局部优化，例如字节码上的基础优化、方法内联、常量传播。
- 将字节码构造成高级中间表示（HIR）。
- 将HIR转换成低级中间表示（LIR），在LIR基础上进行局部优化，生成机器码。
1.2 Server Compiler
主要关注一些编译比较耗时的全局优化，适用于长时间运行的后台程序，其性能一般比Client Compiler要高30%以上，Server Compiler有两种。
1.2.1 C2 Compiler
C2是Hotspot的默认Server编译器，C2使用一种控制流和数据流相结合的图数据结构（Ideal Graph，后面简称IG），其表示当前程序的数据流向和指令间的依赖关系。而C2则通过这种图结构来优化步骤。
1.2.2 Graal Compiler
启用方式：
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler
与C2编译器相比而言，Graal有这么几个关键特性：
- 由Java编写，对于
lambda表达式、stream流的使用要更加友好。 - 会做虚函数的内联、部分逃逸分析等更深层次的优化。
- 对于代码的分支预测和选择优化要更好。
总结就是：
Java执行过程有两步：
- 前端编译：由
javac编译成字节码。 - 后端编译：由
解释器将字节码解释为机器码来执行。
后端编译有两种执行方式：
- 解释执行：一行一行解释成机器码再执行，每次调用时都需要重新逐条解释执行。
- 编译执行JIT（Just In Time）：将热点代码编译优化成
codeCache。
JVM虚拟机有两种编译器：Client / Server Compiler
| 比较项 | Client Compiler | Server Compiler |
|---|---|---|
| 启动速度 | 快 | 慢 |
| 包含的编译器 | C1 | C2，Graal |
| 性能 | 一般 | 高30% |
| 主要的工作 | 字节码优化、方法内联。将字节码转HIR，再转LIR | 主要关注一些编译耗时较长的全局优化，甚至会还会根据程序运行的信息进行一些不可靠的激进优化 |
| 优化范围 | 局部优化 | 全局优化 |
二. JIT和编译优化
JIT的触发时机：JVM根据某个方法的调用次数和循环回边的执行次数来触发。当两者的次数和超过-XX:CompileThreshold指定的阈值，则触发JIT编译。
C1的默认阈值为1500.
C2的默认阈值为10000.
JIT在进行编译的时候，会做一些优化操作。
2.1 中间表达形式（IR）
首先，编译的阶段由上文我们知道分为了：
- 前端：通过词法分析、语法分析、语义分析生成中间表达形式（IR），例如字节码。
- 后端：对IR进行优化，生成目标代码。
那么这些IR优化一般有哪些内容呢？
- 识别冗余赋值。
- 删除无用代码。
2.2 方法内联
方法内联的含义：在编译过程中遇到方法调用时，将目标方法的方法体纳入编译范围之中，并取代原方法调用的优化手段。 并且JIT大部分的优化都是在内联的基础上进行的。
以get/set为例，区别如下：
- 无方法内联：调用时，程序执行时需要保存当前方法的执行位置，创建并压入用于getter/setter的栈帧、访问字段、弹出栈帧，最后再恢复当前方法的执行。
- 有方法内联：程序执行到对应的位置时，直接进行字段访问即可。
方法内联的优劣势：
- 优势：内联的方法越多，生成代码的执行效率越高。
- 劣势：内联的方法越多，JIT编译时间也就越长
2.3 逃逸分析
逃逸分析可以分析在程序的哪些地方可以访问到指针，JIT会对新建的对象进行逃逸分析，判断对象是否逃逸出线程或者方法。 判断对象是否逃逸的依据有两种：
- 对象是否存入堆中，若存入，则其他线程便能获得这个对象的引用。
- 对象是否被传入未知代码（未被内联的代码）中，此时可认为方法调用的调用者以及参数是逃逸的。
2.4 Loop Transformations
JIT编译器会对循环做一些转换，其中最重要的是循环展开和循环分离。
循环展开：以牺牲程序二进制码大小为代价来优化程序的执行速度，通过减少或消除控制程序循环的指令，来减少计算开销（空间换时间）。
例如：
public void test(){for(int i = 0;i<100;i++){run(i); }
}
经过循环展开后得到：
public void test(){for(int i = 0;i<100;i+=5){run(i); run(i+1); run(i+2); run(i+3); run(i+4); }
}
效果：减少循环次数
循环分离：把循环中一次或多次的特殊迭代分离出来，在循环外执行。
例如：
原本的代码如下：
int a = 10;
for(int i = 0;i<10;i++){b[i] = x[i] + x[a];a = i;
}
经过循环分离后：（将特殊情况第一次a=10分离了出来）
b[0] = x[0] + 10;
for(int i = 1;i<10;i++){b[i] = x[i] + x[i-1];
}
2.5 窥孔优化与寄存器分配
窥孔优化作为最后一步JIT优化。将编译器所生成的中间代码的某些组合替换为效率更高的指令组。
例如：
y=x*3
变成：（移位的效率更高）
y=(x<<1)+x
寄存器分配（C2）：把频繁使用的变量保存在寄存器中，CPU访问寄存器的速度比内存快得多，就可以提升程序的运行速度。
在窥孔优化和寄存器分配结束后，程序就会被转换成机器码保存到codecache中了。
参考：（详细介绍的请看第一篇文章）
- 基本功 | Java即时编译器原理解析及实践
- JVM学习笔记之CodeCache
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- 关于Java的JIT(即时编译器)知识整理
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