Jvm 系列(十二) JVM的执行引擎全面讲解_jvm模板解释器和字节码解释器

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JVM 执行引擎

1、执行引擎概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。

“虚拟机”是相对于“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机、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此可以不受物理条件制约地定制指令集和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。

JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部但字节码并不能够直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内部包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表以及其他辅助信息。

那么如果想要让一个Java程序运行起来执行引擎Execution Engine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。简单来说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。

1.1、执行引擎的工作过程

执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码完全依赖于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需要被执行的指令地址。

当然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确定位到存储在 Java 堆区中的对象头实例信息以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。

从外观上来看所有的 Java 虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的输入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出的是执行结果。

2、Java代码编译和执行的过程

大部分的程序代码转换成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上图中的各个步骤。

Java 代码编译是由 Java 源码编译器来完成的流程图如下所示

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成流程图如下

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。
JITJust In Time Compiler编译器就是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。

为什么说Java是半编译半解释型语言

JDK1.0时代将Java语言定位为“解释执行”还是比较准确的再后来Java也发展出可以直接生成本地代码的编译器。
现在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结合起来进行。

3、机器码、指令、汇编语言

3.1、机器码

各种用二进制编码方式表示的指令叫做机器指令。开始人们就用它编写程序这就是用机器语言。机器语言虽然能够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用它编程容易出差错。用它编写的程序一经输入计算机CPU直接读取运行因此和其他语言编的程序相比执行速度最快。机器指令与CPU紧密相关所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同。

3.2、指令

由于机器码是有0和1组成的二进制序列可读性实在太差于是人们发明了指令。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一般为英文简写如movinc等可读性稍好。由于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指令比如mov对应的机器码也可能不同。

3.3、指令集

不同的硬件平台各自支持的指令是有差别的。因此每个平台所支持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。

3.4、汇编语言

由于指令的可读性还是太差于是人们又发明了汇编语言。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Symbol或标号Label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。由于计算机只认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才能识别和执行。

3.5、字节码

字节码是一种中间状态中间码的二进制代码文件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、与硬件环境无关。

字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将原码编译成字节码特定平台上的虚拟机器将字节码转移为可以直接执行的指令。字节码的典型应用为Java bytecode。

3.6、C、C++源程序执行过程

编译过程又可以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分析将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码。
汇编过程实际上是把汇编语言代码翻译成机器指令的过程。

4.、解释器

4.1、解释器

JVM的设计者们的初衷仅仅是为了单纯地为了满足 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。

4.2、解释器工作机制或工作任务

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。

4.3、解释器分类

在Java的发展历史里一共有两套解释执行器即古老的字节码解释器、现在普遍使用的模板解释器。字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行效率非常低效。而模板解释器将每一条字节码和一个模板函数性关联模板函数中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中解释器主要由Interpreter模块和Code模块构成。

Interpreter模块实现了解释器的核心功能。
Code模块用于管理Hotspot VM在与运行时生成的本地机器指令。

4.4、现状

由于解释器在设计和实现上非常简单因此除了 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如Python、Perl、Ruby等。但是在今天基于解释器执行已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平台支持一种叫做即时编译的的技术。即时编译的目的是为了避免函数被解释执行而是将整个函数编译成机器码每次函数执行时只执行编译后的机器码即可这种方式可以使执行效率大幅度提升。

5、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然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行。
第二种是编译执行直接编译成字节码。现代虚拟机为了提高执行效率会使用即时编译技术JITJust In Time将方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中之一。它采用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能够相互协作各自取长补短尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。

在今天Java程序的运行性能早已脱胎换骨已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。

5.2、问题来了

有些开发人员会感觉诧异既然Hotspot VM中已经内置了JIT编译器了那为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢比如JRocket VM内部就不包含解释器字节码全部都依赖即时编译器编译后执行。

首先明确

当程序启动后解释器可以马上发挥作用省去编译的时间立即执行。程序刚启动时执行快
编译器要想发挥作用把代码编译成本地代码需要执行一定的时间。但编译本地代码后执行效率高。
所以尽管JRockit VM中程序的执性能会非常高效但程序在启动时必然需要花费更长的时间来进行编译。对于服务器端应用来说启动时间并非是关注重点但对于那些看中启动时间的应用场景而言或许就需要采用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虚拟机启动时解释器可以首先发挥作用而不必等待即使编译器全部编译完成后再执行**这样可以省去很多不必要的编译时间。随着时间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获得更高效的执行效率。
同时解释器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”。

5.3、HotSpot VM的执行方式

当虚拟机启动的时候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再执行这样可以省去很多不必要的编译时间。并且随着程序运行时间的推移即时编译器逐渐发挥作用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以换取更高的执行效率。

5.4、JIT编译器

概念解释

Java语言的“编译期“其实是一段”不确定“的操作过程因为他可能是指一个前端编译器其实叫”编译器的前端“更准确一些把 .java文件转变为 .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。
还可能是指使用静态提前编译器AOT 编译器 Ahead Of Time Compiler)直接把.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。

5.5、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也被称之为“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者是一个方法体内部循环较多次的循环体都可以被称之为“热点代码”因此都可以通过JIT编译器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也被称之为栈上替换或者简称OSROn Stack Replacement编译。

一个方法究竟要被调用多少次或者一个循环体究竟需要执行多少次才可以达到这个标准必然需要一个明确的阈值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主要依靠热点探测功能。

目前HotSpot VM所采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测采用基于计数器的热点探测HotSpot VM 将会为每一个方法都建立 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传统方法的调用次数。
回边计数器则用于统计循环执行的循环次数。

5.6、方法调用计数器

这个计数器就用于统计方法被调用的次数它的默认阈值在 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。

这个阈值可以通过虚拟机参数 -XXCompoleThreshold 来认为设定。

当一个方法被调用时会先检查该方法是否存在被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。如果不存在已被编译过的版本则将此方法的调用计数器值加1然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阈值。如果已超过阈值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调用的绝对次数而是一个相对的执行频率即一段时间值之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器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的衰减Counter Decay而这段时间就称为此方法的半衰期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 -XXCounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间单位是秒。

5.7、回边计数器

它的作用是统计方法中的循环体代码执行的次数在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为“回边”Back Edge。显然建立回边计数器统计的目的就是为了触发OSR编译。

6、HotSpot VM可以设置程序执行的方式

缺省情况下HotSpot VM 采用解释器与即使编译器并存的架构当然开发人员可以根据具体的应用场景通过命令显示地为 Java 虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器执行还是完全采用即使编译器执行如下所示

-Xint完全采用解释模式执行程序。
-Xcomp完全采用即时编译器执行程序。如果即时编译器出现问题解释器会介入执行。
-Xmixed采用解释器+即时编译器的混合模式共同实行程序。

7、HotSpot VM中 JIT 分类

在HotSpot VM中内嵌有两个JIT编译器分别为 Client Compiler和 Server Compiler但大多数情况下我们简称为C1编译器和C2编译器。开发人员可以通过如下命令显示指定 Java 虚拟机在运行时到底使用哪种即时编译器如下所示

-client指定Java 虚拟运行在 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。
-server指定Java虚拟机运行在Server 模式下并使用C2编译器。
- C2进行耗时较长以及激进优化但优化的代码执行效率更高。

分层编译Tiered Compilation策略程序解释执行不开启性能监控可以出发C1编译将字节码编译成机器码可以进行简单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。

不过在Java7版本之后一旦开发人员在程序中显示指定命令“-server”时默认将会开启分层编译策略由C1编译器和C2编译器互相协作共同来执行任务。

8、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编译策略C1编译器上主要有方法内联去虚拟化、冗余消除。

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。

C2的优化主要是在全局层面逃逸分析是优化的基础。基于逃逸分析在C2上有如下几种优化

标量替换用标量值替代聚合对象的属性值。
栈上分配对于为逃逸的对象分配对象在栈而不是堆。
同步消除清除同步操作通常指sychronized。

总结

一般来讲JIT编译出来的机器码性能比解释器高C2编译器启动时长比C1编译器慢系统稳定执行以后C2编译器执行速度远远快于C1编译器。自JDK10起HotSpot又加入了一个全新的即时编译器Graal编译器。编译效果短短几年就追评了C2编译器。使用 -XX : +UnlocalExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler去激活才可以使用。JDK9引入了AOT编译器静态提前编译器Ahead Of Time Compiler)。Java 9引入了实验性 AOT 编译工具 jaotc。它借助了 Graal 编译器将所输入的Java类文件转换为机器码并存放至生成的动态共享库之中。所谓AOT编译器是与即时编译相对立的一个概念我们知道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直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。

好处