一、执行引擎概述

1.1 概述

执行引擎（Execution Engine）是Java虚拟机外围的组成部分之一。

“虚拟机”是一个绝对于“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间接建设在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因而能够不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的构造体系，可能执行那些不被硬件间接反对的指令集格局。

JVM的次要工作是负责装载字节码到其外部，但字节码并不可能间接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它外部蕴含的仅仅只是一些可能被JVM所辨认的字节码指令、符号表，以及其余辅助信息。

那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎（Execution Engine）的工作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。简略来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

1.2 执行引擎的工作流程

  • 执行引擎在执行的过程中到底须要执行什么样的字节码指令齐全依赖于PC寄存器。
  • 每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条须要被执行的指令地址。
  • 当然办法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象援用精确定位到存储在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到指标对象的类型信息。

从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输出，输入都是统一的：输出的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输入的是执行过程。

二、Java代码编译和执行过程

大部分的程序代码转换成物理机的指标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都须要通过下图中的各个步骤：

  • 后面橙色局部是生成字节码文件的过程，和JVM无关
  • 前面蓝色和绿色才是JVM须要思考的过程

Java代码编译是由Java源码编译器来实现，流程图如下所示：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来实现，流程图如下所示：

什么是解释器

解释器（Interpreter）：当Java虚拟机启动时会依据预约义的标准对字节码采纳逐行解释的形式执行，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。

什么是JIT编译器

JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码间接编译成和本地机器平台相干的机器语言。

为什么Java是半编译半解释型语言

JDK1.e时代，将Java语言定位为“解释执行”还是比拟精确的。再起初，Java也倒退出能够间接生成本地代码的编译器。当初JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译执行二者联合起来进行。

联合下图能够更好了解解释器与编译器：

三、机器码、指令、汇编语言

3.1 机器码

各种用二进制编码方式示意的指令，叫做机器指令码。开始，人们就用它采编写程序，这就是机器语言。

机器语言尽管可能被计算机了解和承受，但和人们的语言差异太大，不易被人们了解和记忆，并且用它编程容易出差错。

用它编写的程序一经输出计算机，CPU间接读取运行，因而和其余语言编的程序相比，执行速度最快。

机器指令与CPU严密相干，所以不同品种的CPU所对应的机器指令也就不同。

3.2 指令

因为机器码是有0和1组成的二进制序列，可读性切实太差，于是人们创造了指令。

指令就是把机器码中特定的0和1序列，简化成对应的指令（个别为英文简写，如mov，inc等），可读性稍好

因为不同的硬件平台，执行同一个操作，对应的机器码可能不同，所以不同的硬件平台的同一种指令（比方mov），对应的机器码也可能不同。

指令集

不同的硬件平台，各自反对的指令，是有差异的。因而每个平台所反对的指令，称之为对应平台的指令集。
如常见的

  • 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

3.3 高级语言

汇编语言

因为指令的可读性还是太差，于是人们又创造了汇编语言。

在汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbo1）或标号（Labe1）代替指令或操作数的地址。在不同的硬件平台，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指令。

因为计算机只意识指令码，所以用汇编语言编写的程序还必须翻译成机器指令码，计算机能力辨认和执行。

高级语言

为了使计算机用户编程序更容易些，起初就呈现了各种高级计算机语言。

高级语言比机器语言、汇编语言更靠近人的语言当计算机执行高级语言编写的程序时，依然须要把程序解释和编译成机器的指令码。实现这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。

高级语言也不是间接翻译成 机器指令，而是编译成汇编语言，再汇编成机器指令。

编译过程又能够分成两个阶段：编译和汇编。

编译过程：是读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的剖析，将高级语言指令转换为性能等效的汇编代码。

汇编过程：实际上指把汇编语言代码翻译成指标机器指令的过程。

3.4 字节码

字节码是一种中间状态（两头码）的二进制代码（文件），它比机器码更形象，须要直译器转译后能力成为机器码。

字节码次要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关。

字节码的实现形式是通过编译器和虚构机器。编译器将源码编译成字节码，特定平台上的虚构机器将字节码转译为能够间接执行的指令。

  • 字节码典型的利用为：Java bytecode

四、解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台个性，因而防止采纳动态编译的形式间接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采纳逐行解释字节码执行程序的想法。

为什么Java源文件不间接翻译成JVM，而是翻译成字节码文件？可能是因为间接翻译的代码是比拟大的。

解释器真正意义上所承当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实现后，接着再依据PC寄存器中记录的下一条须要被执行的字节码指令执行解释操作。

解释器分类

在Java的倒退历史里，一共有两套解释执行器，即古老的字节码解释器、当初广泛应用的模板解释器。

字节码解释器在执行时通过纯软件代码模仿字节码的执行，效率十分低下。

而模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中间接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大水平上进步了解释器的性能。

在HotSpot VM中，解释器次要由Interpreter模块和Code模块形成。

  • Interpreter模块：实现了解释器的外围性能
  • Code模块：用于治理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令

现状

因为解释器在设计和实现上非常简单，因而除了Java语言之外，还有许多高级语言同样也是基于解释器执行的，比方Python、Per1、Ruby等。然而在明天，基于解释器执行曾经沦落为低效的代名词，并且时常被一些C/C++程序员所调侃。

为了解决这个问题，JVM平台反对一种叫作即时编译的技术。即时编译的目标是防止函数被解释执行，而是将整个函数体编译成为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种形式能够使执行效率大幅度晋升。

不过无论如何，基于解释器的执行模式依然为两头语言的倒退做出了不可磨灭的奉献。

五、JIT编译器

5.1 Java代码的执行分类

第一种是将源代码编译成字节码文件，而后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行。

第二种是编译执行（间接编译成机器码）。古代虚拟机为了进步执行效率，会应用即时编译技术（JIT，Just In Time）将办法编译成机器码后再执行

HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采纳解释器与即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器可能相互协作，各自舍短取长，尽力去抉择最合适的形式来衡量编译本地代码的工夫和间接解释执行代码的工夫。

在明天，Java程序的运行性能早已本性难移，曾经达到了能够和C/C++ 程序一较高下的境地。

问题来了

有些开发人员会感觉到惊讶，既然HotSpot VM中曾经内置JIT编译器了，那么为什么还须要再应用解释器来“连累”程序的执行性能呢？比方JRockit VM外部就不蕴含解释器，字节码全副都依附即时编译器编译后执行。

  • JRockit虚拟机是砍掉了解释器，也就是只采及时编译器。那是因为呢JRockit只部署在服务器上，个别曾经有工夫让他进行指令编译的过程了，对于响应来说要求不高，等及时编译器的编译实现后，就会提供更好的性能

首先明确：
当程序启动后，解释器能够马上发挥作用，省去编译的工夫，立刻执行。
编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，须要肯定的执行工夫。但编译为本地代码后，执行效率高。

所以：
只管JRockit VM中程序的执行性能会十分高效，但程序在启动时必然须要破费更长的工夫来进行编译。对于服务端利用来说，启动工夫并非是关注重点，但对于那些看中启动工夫的利用场景而言，或者就须要采纳解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。

在此模式下，当Java虚构器启动时，解释器能够首先发挥作用，而不用期待即时编译器全副编译实现后再执行，这样能够省去许多不必要的编译工夫。随着工夫的推移，编译器发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码，取得更高的执行效率。

同时，解释执行在编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”。

5.2 HotSpot JVM执行形式

当虚拟机启动的时候，解释器能够首先发挥作用，而不用期待即时编译器全副编译实现再执行，这样能够省去许多不必要的编译工夫。并且随着程序运行工夫的推移，即时编译器逐步发挥作用，依据热点探测性能，将有价值的字节码编译为本地机器指令，以换取更高的程序执行效率。

案例

留神解释执行与编译执行在线上环境奥妙的辩证关系。机器在热机状态能够接受的负载要大于冷机状态。如果以热机状态时的流量进行切流，可能使处于冷机状态的服务器因无奈承载流量而假死。

在生产环境公布过程中，以分批的形式进行公布，依据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数至少占到整个集群的1/8。已经有这样的故障案例：某程序员在公布平台进行分批公布，在输出公布总批数时，误填写成分为两批公布。如果是热机状态，在失常状况下一半的机器能够勉强承载流量，但因为刚启动的JVM均是解释执行，还没有进行热点代码统计和JIT动静编译，导致机器启动之后，以后1/2公布胜利的服务器马上全副宕机，此故障阐明了JIT的存在。——阿里团队

5.3 概念解释

  • Java 语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程，因为它可能是指一个前端编译器（其实叫“编译器的前端”更精确一些）把.java文件转变成.class文件的过程。
  • 也可能是指虚拟机的后端运行期编译器（JIT编译器，Just In Time Compiler），把字节码转变成机器码的过程。
  • 还可能是指应用动态提前编译器（AOT编译器，Ahead of Time Compiler）间接把.java文件编译成本地机器代码的过程。

前端编译器：Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）。

JIT编译器：HotSpot VM的C1、C2编译器。

AOT 编译器：GNU Compiler for the Java（GCJ）、Excelsior JET。

（1）热点探测技术

一个被屡次调用的办法，或者是一个办法体外部循环次数较多的循环体都能够被称之为“热点代码”，因而都能够通过JIT编译器编译为本地机器指令。因为这种编译形式产生在办法的执行过程中，因而被称之为栈上替换，或简称为OSR（On Stack Replacement）编译。

一个办法到底要被调用多少次，或者一个循环体到底须要执行多少次循环才能够达到这个规范？必然须要一个明确的阈值，JIT编译器才会将这些“热点代码”编译为本地机器指令执行。这里次要依附热点探测性能。

目前HotSpot VM所采纳的热点探测形式是基于计数器的热点探测。

采纳基于计数器的热点探测，HotSpot VM将会为每一个办法都建设2个不同类型的计数器，别离为办法调用计数器（Invocation Counter）和回边计数器（Back Edge Counter）。

  • 办法调用计数器用于统计办法的调用次数
  • 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数

（2）办法调用计数器

这个计数器就用于统计办法被调用的次数，它的默认阀值在Client模式下是1500次，在Server模式下是10000次。超过这个阈值，就会触发JIT编译。

这个阀值能够通过虚拟机参数 -XX:CompileThreshold 来人为设定。

当一个办法被调用时，会先查看该办法是否存在被JIT编译过的版本，如果存在，则优先应用编译后的本地代码来执行。如果不存在已被编译过的版本，则将此办法的调用计数器值加1，而后判断办法调用计数器与回边计数器值之和是否超过办法调用计数器的阀值。如果已超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该办法的代码编译申请。

（3）热点衰减

如果不做任何设置，办法调用计数器统计的并不是办法被调用的相对次数，而是一个绝对的执行频率，即一段时间之内办法被调用的次数。当超过肯定的工夫限度，如果办法的调用次数依然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个办法的调用计数器就会被缩小一半，这个过程称为办法调用计数器热度的衰减（Counter Decay），而这段时间就称为此办法统计的半衰周期（Counter Half Life Time）

  • 半衰周期是化学中的概念，比方出土的文物通过查看C60来取得文物的年龄

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，能够应用虚拟机参数-XX:-UseCounterDecay 来敞开热度衰减，让办法计数器统计办法调用的相对次数，这样，只有零碎运行工夫足够长，绝大部分办法都会被编译成本地代码。

另外，能够应用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的工夫，单位是秒。

（4）回边计数器

它的作用是统计一个办法中循环体代码执行的次数，在字节码中遇到管制流向后跳转的指令称为“回边”（Back Edge）。显然，建设回边计数器统计的目标就是为了触发OSR编译。

HotSpotVM 能够设置程序执行办法

缺省状况下HotSpot VM是采纳解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员能够依据具体的利用场景，通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时到底是齐全采纳解释器执行，还是齐全采纳即时编译器执行。如下所示：

  • -Xint：齐全采纳解释器模式执行程序。
  • -Xcomp：齐全采纳即时编译器模式执行程序。如果即时编译呈现问题，解释器会染指执行。
  • -Xmixed：采纳解释器+即时编译器的混合模式独特执行程序。
C:\Users\kaiz1>java -versionjava version "1.8.0_261"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, mixed mode)C:\Users\kaiz1>java -Xint -versionjava version "1.8.0_261"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, interpreted mode)C:\Users\kaiz1>java -Xcomp -versionjava version "1.8.0_261"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, compiled mode)C:\Users\kaiz1>java -Xmixed -versionjava version "1.8.0_261"Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_261-b12)Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.261-b12, mixed mode)

5.4 JIT 分类

JIT的编译器还分为了两种，别离是C1和C2，在HotSpot VM中内嵌有两个JIT编译器，别离为Client Compiler和Server Compiler，但大多数状况下咱们简称为C1编译器 和 C2编译器。开发人员能够通过如下命令显式指定Java虚拟机在运行时到底应用哪一种即时编译器，如下所示：

  • -client：指定Java虚拟机运行在Client模式下，并应用C1编译器；

    • C1编译器会对字节码进行简略和牢靠的优化，耗时短。以达到更快的编译速度。

  • -server：指定Java虚拟机运行在server模式下，并应用C2编译器。

    • C2进行耗时较长的优化，以及激进优化。但优化的代码执行效率更高。（应用C++）

C1 和 C2编译器不同的优化策略

在不同的编译器上有不同的优化策略，C1编译器上次要有办法内联，去虚拟化、元余打消。

  • 办法内联：将援用的函数代码编译到援用点处，这样能够缩小栈帧的生成，缩小参数传递以及跳转过程。
  • 去虚拟化：对惟一的实现樊进行内联。
  • 冗余打消：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉。

C2的优化次要是在全局层面，逃逸剖析是优化的根底。基于逃逸剖析在C2上有如下几种优化：

  • 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值。
  • 栈上调配：对于未逃逸的对象调配对象在栈而不是堆。
  • 同步打消：革除同步操作，通常指synchronized。

分层编译策略

分层编译（Tiered Compilation）策略：程序解释执行（不开启性能监控）能够触发C1编译，将字节码编译成机器码，能够进行简略优化，也能够加上性能监控，C2编译会依据性能监控信息进行激进优化。

不过在Java7版本之后，一旦开发人员在程序中显式指定命令“-server"时，默认将会开启分层编译策略，由C1编译器和C2编译器相互协作独特来执行编译工作。

总结

  • 一般来讲，JIT编译进去的机器码性能比解释器高。
  • C2编译器启动时长比C1慢，零碎稳固执行当前，C2编译器执行速度远快于C1编译器。

5.5 AOT编译器

jdk9引入了AOT编译器（动态提前编译器，Ahead of Time Compiler）。Java 9还引入了实验性AOT编译工具aotc。它借助了Graal编译器，将所输出的Java类文件转换为机器码，并寄存至生成的动静共享库之中。

所谓AOT编译，是与即时编译绝对立的一个概念。咱们晓得，即时编译指的是在程序的运行过程中，将字节码转换为可在硬件上间接运行的机器码，并部署至托管环境中的过程。而AOT编译指的则是，在程序运行之前，便将字节码转换为机器码的过程。

.java -> .class -> (应用jaotc) -> .so

最大的益处：Java虚拟机加载曾经预编译成二进制库，能够间接执行。不用期待及时编译器的预热，缩小Java利用给人带来“第一次运行慢” 的不良体验。

毛病：

  • 毁坏了 java “ 一次编译，到处运行”，必须为每个不同的硬件，OS编译对应的发行包。
  • 升高了Java链接过程的动态性，加载的代码在编译器就必须全副已知。
  • 还须要持续优化中，最后只反对Linux X64 java base。

写到最初

  • 自jdk10起，HotSpot又退出了一个全新的及时编译器：Graal编译器。
  • 编译成果短短几年工夫就追评了G2编译器，将来可期。
  • 目前，带着试验状态标签，须要应用开关参数-XX:+UnlockExperimentalvMOptions -XX:+UseJVMCICompiler去激活能力应用。

参考

深刻了解Java虚拟机：JVM高级个性与最佳实际（第3版）