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什么是虚拟机？
“虚拟机”是个十分大的概念，从字面意思了解，“虚拟机”就是“虚构的计算机”，咱们在学习服务端编程时，置信大部分同学都接触过虚拟机。有这样一种场景，因为咱们日常应用的计算机大部分是 Windows 操作系统，但绝大多数的服务端软件却都运行在 Linux 零碎上，假如咱们在 Windows 上进行编程，就无奈间接在 Windows 上进行测试，十分不不便。基于这样的场景于是就有了虚拟机，它的作用是能够在 windows 零碎的根底上运行 Linux 零碎，而后咱们就能够很不便的在 windows 零碎上测试 Linux 零碎的程序。这个 Linux 操作系统是通过某种技术手段虚构进去的，两头的过程非常复杂，无奈用喋喋不休来形容。
明天想聊的虚拟机和下面说的虚拟机略有不同，然而它们要解决的问题是一样的。下面说的虚拟机，它虚构出了一个残缺的操作系统，我把它称之为“操作系统级虚拟机”。而咱们明天要聊的虚拟机它是针对编程语言的，它能达到的成果是，同一份代码运行在不同的操作系统上输入雷同的后果，能够实现一次编写到处运行，我把它称为“语言级虚拟机”。咱们十分相熟的 Java、PHP、Python 等编程语言，实际上都是基于虚拟机的语言，它们都具备跨平台性，咱们只须要编写一次代码，就能够运行在不同的操作系统上，并且输入简直完全相同的后果。
理解过零碎编程的同学应该都晓得，不同操作系统对于同一个性能所提供的“零碎 API”可能是不一样的。例如 Windows 和 Linux 零碎都提供了网络监听的 API，然而它们对应的 SOCKET API 却不同，假如咱们应用平台相干的编程语言（例如：C、C++），咱们在编程时就必须要留神这样的区别，并且针对不同的操作系统做相应的兼容解决，否则程序在 Linux 零碎上能失常运行，然而 Windows 就会报错。这种相似的区别十分多，具体细节要看对应的零碎编程手册才晓得。有的零碎 API 齐全不同，而有的仅仅是个别参数不同，办法名完全相同，程序员在编写代码时须要时刻留神这些，能力编写出强壮的跨平台代码，这对老手来讲是十分艰难的，并且这样一来，程序员就须要把很大一部分精力破费在兼容性问题上，而不能专一于理论性能的开发。
有了虚拟机之后，下面的问题就不复存在了。虚拟机的作用简略来说就是中介代理，好比咱们初来乍到大城市要租房子，北上广等大城市的房东那么多，如果没有房产中介（虚拟机），咱们就须要和 N 个房东对接，而后能力租到适合的房子；有了房产中介（虚拟机），咱们只须要通知房产中介（虚拟机）咱们要租什么样的房子，由房产中介（虚拟机）去协调各个房东，咱们就能租到适合的房子，过程不同，最初的后果是雷同的。同理，以 Socket API 调用为例，咱们把编写好的代码交给虚拟机，再由虚拟机来负责调用零碎 API，相当于两头加了一层中介代理，虚拟机将依据操作系统抉择正确的 Soekct API，来帮咱们实现最终的性能。这样的益处是程序员不再须要关注底层 API 的细节，能够专一于真正性能的编写，虚拟机帮咱们屏蔽底层零碎 API 的细节，并且编程的门槛也大大降低，代码健壮性也大大提高。
PHP 的执行过程
PHP 解释执行过程
理解 PHP 的同学都晓得，PHP 是一种解释型语言，也称作脚本语言，它的特点就是轻量、简略易用。传统的编程语言在运行前都须要进行编译、链接，而后能力执行并输入后果。而脚本语言（PHP）则省略了这个过程，间接通过 shell 命令就能执行执行并输入对应的后果，十分轻量、直观、易上手。不瞒大家说，我在入坑编程时也学过 Java，为什么最初入了 PHP 的坑呢，可能就是这些特点吸引的我。
方才咱们只说了 PHP 的长处，然而大多数时候都是有得必有失，我想编程语言也一样，PHP 十分轻量、易上手那么它必然是就义了某种长处为代价的，否则为什么其它编程语言不这么做呢。接下来咱们就聊一聊 PHP 的执行过程，我想理解了 PHP 的执行过程，就能了解 PHP 语言设计上的取舍了。
以下是 PHP 在开启了 Opcache 缓存后程序运行的次要过程。
图 -1
从 图 -1 中能够看到，载入 PHP 代码文件后，首先通过 词法分析器（re2c/lex），从代码中提取出 单词符号（token），而后再通过 语法分析器（yacc/bison），从 token 中发现语法结构后，生成 形象语法树（AST），再经由 动态编译器 生成 Opcode，最初由 解释器 模仿机器指令来执行每一条Opcode。
另外，当 PHP 开起了 Opcache 后，ZendVM 会对 Opcode 进行缓存解决，缓存在共享内存中。不仅如此，ZendVM 还会对编译后的 Opcode 进行优化，编译的优化技术包含 办法内联 、 常量流传 、 反复代码删除 等。有了 Opcache 后，不仅能够省略掉 词法剖析、语法分析、动态编译等步骤，同时 Opcode 也被额定优化了，程序的执行效率比首次执行时的速度更快。
以上就是 PHP 解释执行的过程，尽管解释执行对程序员十分敌对，省略了动态编译的步骤，但实际上这个过程并没有省略，只是由虚拟机帮咱们实现了，以就义一部分性能为代价，换来了轻量、易用性、灵活性。其中 词法剖析、语法分析、动态编译、解释执行 这些流程都是在执行时实现的。
编译型语言执行过程
理解过解释型语言的执行过程后，作为比照咱们再来看下 编译型语言 的执行过程，来看看它相比比解释型语言有什么不同。
图 -2
从 图 -2中咱们能够看到，虚线框中的执行过程包含：词法剖析、语法分析、编译，这 3 步在 PHP 解释执行时也同样有，惟一的区别是，C/C++ 这 3 步是提前由编译器在编译过程中实现的，这样能够在运行时节俭大量的工夫和开销。生成汇编代码后，第 4 步是 链接 汇编文件，并生成可执行文件，这里的可执行文件指的是二进制的机器码，CPU 能够间接执行不须要再额定翻译，这 4 个步骤合起来称为 动态编译 。能够很显著的看到， 编译型语言 绝对 解释型语言 在后期须要做更多的工作，但换来的是更高的性能和执行效率。因而，个别在大型的我的项目中，因为对性能要求比拟高，代码量也很大，如果采纳解释型语言会大大降低执行效率，应用动态编译型可能取得更好的执行效率，升高服务器洽购老本。
什么是 JIT?
JIT 能够说是虚拟机中最有技术含量的技术，方才咱们别离讲了解释型语言和编译型语言执行的过程，也剖析了它们各自的劣势和劣势，咱们能够思考一下，有没有一种技术，既有解释型语言轻量、易上手的长处，同时也领有编译型语言的高性能，论断就是 JIT。上面咱们要介绍的就是编程语言中的 JIT 技术，它的全称是“即时编译”，具体指的是什么呢？咱们先来看下维基百科对即时编译的定义。
在计算机技术中，即时编译（英语：just-in-time compilation，缩写为 JIT；又译及时编译、实时编译），也称为动静翻译或运行时编译，是一种执行计算机代码的办法，这种办法波及在程序执行过程中（在运行期）而不是在执行之前进行编译。通常，这包含源代码或更常见的字节码到机器码的转换，而后间接执行。实现 JIT 编译器的零碎通常会一直地剖析正在执行的代码，并确定代码的某些局部，在这些局部中，编译或从新编译。
方才咱们说了，JIT 既领有解释型语言的轻量易用性，同时领有高性能，那么它是如何实现的呢？以 PHP8 中退出了 JIT 的个性为例，下图形容了 PHP 开启了 JIT 个性后的执行流程，PHP8-JIT 是在 Opcache 优化的根底上更进一步，将 Opcache 中保留的 Opcode 优化后再进行编译，将 Opcode 编译成 CPU 可辨认的可执行文件，也就是二进制文件，相当于 C ++ 编译后的可执行文件，只不过这个过程不须要在运行前实现，而是在运行时，虚拟机开启后盾线程，将 Opcode 转换成二进制文件，有了二进制文件缓存后，当下次执行该逻辑时，CPU 就能够间接执行，不须要再通过解释，实践性能和 C ++ 一样。这样的益处就是既保留了 PHP 语言的易用性、灵活性，同时也取得了高性能。
图 -3
JIT 的触发条件
JIT 实际上就是把运行时的一部分代码，转换成可执行文件并缓存起来，减速下次代码的执行。那么 JIT 是程序启动后就会触发吗？
JIT 在程序首次启动时并不会起作用，能够了解为 PHP/Java 代码在首次执行时，其实依然是以解释的模式运行的，JIT 须要在程序运行一段时间后能力真正触发。说到这里，大家有没有跟我有一样的疑难，为什么 JIT 不在程序启动时，就把所有的代码都转换成可执行文件缓存起来，就像 C ++ 一样，这样岂不是效率更高。在 Java 语言中的确有少部分这样的利用，但并不是支流。次要有以下几方面的起因
- 全副编译成二进制文件须要消耗很多工夫，程序启动会十分慢，这对于大型项目来说是不可承受的
- 并不是所有的代码都有必要进行性能优化，大部分代码在理论场景中用的并不多
- 编译成二进制会占用很大的容量
- 提前编译好相当于是动态的编译，JIT 编译绝对于动态编译有很多不可代替的劣势
JIT 的触发条件，次要是基于“计数器的热点探测”，虚构机会为每个办法（或者代码块）建设计数器，如果执行次数超过肯定的阈值就认为它是“热点办法”，在达到阈值后，虚构机会开启后盾线程将该代码块编译成可执行文件，缓存在内存中，减速下次执行的速度。以上只是简略形容了热点代码的触发规定，理论的虚拟机采纳的规定，会比这个更简单。
JIT& 提前编译的优劣势
JIT 编译器是在运行时进行的，咱们很容易发现，它和提前编译相比有几个很显著的劣势。首先，JIT 编译须要耗费运行时的计算资源，本来这些资源能够用来执行程序，不论 JIT 编译器如何优化（例如：分层编译），这是始终没方法回避的问题，其中最耗费资源的一步是“过程间剖析”，比方剖析这个办法是否永远不可能被调用，形象办法是否永远只会调用繁多版本的论断，这些信息对生成高质量的代码有十分高的价值，然而要准确的失去这些信息，必须要通过大量的耗时计算，耗费大量运行时的计算资源。反过来，如果这些耗时的工作的提前编译时就实现了，运行时就只需享受高质量代码带来的高性能，最多就是提前编译时略微慢一点，但这都是能够承受的。
说了这么多，那 JIT 编译和提前编译相比，在性能优化上就真的没什么劣势了吗？论断是不是的，JIT 编译有很多提前编译不可代替的劣势。正是因为 JIT 编译器是在运行时进行的，所以 JIT 编译器能获取到程序实在的数据，通过一直收集程序运行时的监控信息，并对这些数据进行剖析，JIT 编译器能够对程序做一些激进的优化，这是提前的动态编译器做不到的。
首先是，性能剖析制导优化。比如说 JIT 编译器在运行时，通过程序运行的监控数据，如果发现某些代码块被执行的特地频繁，那能够集中优化这一块代码，例如：给这段代码调配更好的寄存器、缓存等。
而后是激进预测优化。比如说有一个接口，它的实现类有 3 个，但在实在运行过程中，95% 以上的工夫都在运行 A 这个实现类，通过数据的剖析，那就能够激进的对它进行预测，每次都执行 A，如果发现有几次预测谬误了，能够退回到解释状态再次执行，但只是小概率事件，并且不影响程序执行的后果。
最初是链接时优化，传统的编译器的步骤是编译优化和链接是离开的，什么意思呢？退出某个程序须要用到 A、B、C 3 个库，编译器先各自编译这 3 个类库，并且进行各种伎俩的优化，转换成汇编代码保留到文件中，最初一步是将这 3 个汇编文件链接起来，最终转换成可执行文件。这里存在一个问题，A、B、C 3 个库在编译时是别离进行优化的，假如 A 和 B 中有些办法是反复执行的，或者能够办法内联来优化，那是无奈做到的。然而 JIT 编译器是的不同之处在于，它是运行时动静链接的，能够针对整个程序的调用栈进行优化，这样的优化更加彻底。
总结
写这篇博客的次要目标，是对本人这段时间学习虚拟机相干技术的一个总结，在我谷歌搜寻 PHP 虚拟机相干文章时，发现可参考的文章寥寥无几。因为 Java 和 PHP 的执行原理很相近，我想能够通过学习 Java 虚拟机来理解 ZendVM 的工作原理，Java 虚拟机十分成熟，能够说是虚拟机的鼻祖，JVM 世面上的优良书籍十分多，JVM 关上了我的新世界，让我对虚拟机有了全新的意识，JIT 技术更是惊艳到我。
最初，PHP 是世界上最好的语言！
参考
- 《深刻了解 Java 虚拟机（第 3 版）》
- 深刻了解 PHP opcode 优化
- PHP 8 新个性之 JIT 简介
- PHP JIT in Depth
- Java 9 AOT 初探
- How PHP’s Just In Time compiler works
