怎么使用java Hotspot虛擬機(jī)內(nèi)的即時(shí)編譯器

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在部分商用虛擬機(jī)（SunHotspot、IBMJ9）中，Java程序最初是通過(guò)解釋器解釋執(zhí)行的，當(dāng)虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)有個(gè)方法或代碼塊運(yùn)行特別頻繁時(shí)，就會(huì)把這些代碼認(rèn)定為“熱點(diǎn)代碼”。為了提高熱點(diǎn)代碼的執(zhí)行效率，虛擬機(jī)會(huì)把這些代碼編譯成與本地平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼，并進(jìn)行各種層次的優(yōu)化，完成這個(gè)任務(wù)的編譯器被稱為即時(shí)編譯器（JustInTimeCompiler，簡(jiǎn)稱JIT編譯器）。即時(shí)編譯器并不是虛擬機(jī)必須的部分，但是即時(shí)編譯器編譯性能的好壞、代碼優(yōu)化程度的高低卻是衡量一款商用虛擬機(jī)好壞與否最關(guān)鍵的指標(biāo)之一，是虛擬機(jī)中最核心且最能體現(xiàn)虛擬機(jī)技術(shù)水平的部分。

Hotspot虛擬機(jī)內(nèi)的即時(shí)編譯器

重點(diǎn)我們需要關(guān)注解決以下幾個(gè)問(wèn)題：

為何Hotspot虛擬機(jī)要使用解釋器和編譯器并存的架構(gòu)？
為何Hotspot虛擬機(jī)要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的即時(shí)編譯器？
程序何時(shí)使用解釋器執(zhí)行？何時(shí)使用編譯器執(zhí)行？
哪些程序代碼會(huì)被編譯為本地代碼？如何編譯為本地代碼？
如何從外部觀察即時(shí)編譯器的編譯過(guò)程和編譯結(jié)果？

解釋器與編譯器

盡管不是所有的Java虛擬機(jī)都采樣解釋器與編譯器并存的架構(gòu)，但是許多主流的虛擬機(jī)，比如SunHotspot、IBMJ9，都同時(shí)包含解釋器與編譯器。解釋器與編譯器有各自的優(yōu)勢(shì)：當(dāng)程序需要快速啟動(dòng)時(shí)，解釋器可以發(fā)揮作用，省去編譯時(shí)間立即執(zhí)行。在程序運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，編譯器逐漸發(fā)揮作用，把越來(lái)越多的代碼編譯成本地代碼后，可以獲取更高的執(zhí)行效率。
當(dāng)程序運(yùn)行環(huán)境的內(nèi)存資源限制較大時(shí)，使用解釋器執(zhí)行節(jié)省內(nèi)存，反之可以使用編譯執(zhí)行提升效率。同時(shí)，解釋器還可以作為編譯器激進(jìn)優(yōu)化時(shí)的一個(gè)“逃生門”，讓編譯器根據(jù)概率選擇一個(gè)大多數(shù)時(shí)候都能提升運(yùn)行速度的優(yōu)化手段，當(dāng)激進(jìn)優(yōu)化的假設(shè)不成立時(shí)，比如加載了新類后類型繼承結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，出現(xiàn)“罕見(jiàn)陷阱”時(shí)可以通過(guò)逆優(yōu)化退回到解釋狀態(tài)繼續(xù)執(zhí)行。因此，在虛擬機(jī)中解釋器和編譯器經(jīng)常配合工作，如下圖所示：

                                                         圖-解釋器與編譯器的交互

HotSpot虛擬機(jī)內(nèi)置了兩個(gè)即時(shí)編譯器：ClientCompiler和ServerCompiler，簡(jiǎn)稱C1編譯器和C2編譯器。默認(rèn)采用解釋器和其中一個(gè)編譯器直接配合的方式工作，具體使用哪個(gè)編譯器，取決于虛擬機(jī)工作的模式，用戶可以使用-client參數(shù)或-server參數(shù)指定虛擬機(jī)的工作模式，還可以使用-Xint強(qiáng)制虛擬機(jī)運(yùn)行于“解釋模式”。
由于即時(shí)編譯器編譯本地代碼需要占用程序運(yùn)行時(shí)間，要編譯出優(yōu)化程度更高的代碼，所需時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)。同時(shí)，解釋器還要替編譯器收集性能監(jiān)控信息，這對(duì)解釋執(zhí)行速度也有影響。為了在程序啟動(dòng)響應(yīng)速度與運(yùn)行效率之間達(dá)到最佳平衡，HotSpot虛擬機(jī)又引入了分層編譯的策略。分層編譯根據(jù)編譯器編譯、優(yōu)化的規(guī)模與耗時(shí)，劃分為不同的編譯層次，包括：
第0層，程序解釋執(zhí)行，不開(kāi)啟性能監(jiān)控功能，可觸發(fā)第1層編譯。
第1層，稱為C1編譯，將字節(jié)碼編譯為本地代碼，并進(jìn)行簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)化，如有必要將加入性能監(jiān)控邏輯。
第2層，稱為C2編譯，也是將字節(jié)碼編譯為本地代碼，但是會(huì)進(jìn)行耗時(shí)較長(zhǎng)的優(yōu)化，甚至?xí)鶕?jù)性能監(jiān)控信息進(jìn)行一些不完全可靠的激進(jìn)優(yōu)化。
實(shí)施分層編譯后，ClientCompiler和ServerCompiler會(huì)同時(shí)工作，許多代碼可能會(huì)被編譯多次，用ClientCompiler獲得更快的編譯速度，用ServerCompiler獲取更好的編譯質(zhì)量，在解釋執(zhí)行的時(shí)候也無(wú)需再承擔(dān)收集性能監(jiān)控信息的任務(wù)。

編譯對(duì)象與觸發(fā)條件

在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)被即時(shí)編譯器編譯的熱點(diǎn)代碼有兩類：
被多次調(diào)用的方法。
被多次執(zhí)行的循環(huán)體。
這兩種情況，編譯器都會(huì)編譯整個(gè)方法。因?yàn)榫幾g發(fā)生在方法執(zhí)行過(guò)程中，因此形象地稱之為棧上替換（OnStackReplacement，簡(jiǎn)稱OSR，即方法棧幀還在棧上，方法就被替換了）。
判斷一段代碼是不是熱點(diǎn)代碼，是否需要觸發(fā)即時(shí)編譯，這樣的行為稱為熱點(diǎn)探測(cè)（HotSpotDetection），熱點(diǎn)探測(cè)方式主要有兩種：
基于采樣的熱點(diǎn)探測(cè)：采用這種方法的虛擬機(jī)會(huì)周期性地檢查各個(gè)線程的棧頂，如果某個(gè)方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，那它就是熱點(diǎn)方法。其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、高效，還可以獲取方法調(diào)用關(guān)系；缺點(diǎn)是不夠精確，容易受到線程阻塞或其他外接因素的影響。
基于計(jì)數(shù)的熱點(diǎn)探測(cè)：采用這種方法的虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)方法（甚至是代碼塊）建立計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)方法執(zhí)行次數(shù)，次數(shù)超過(guò)一定閾值就認(rèn)為是熱點(diǎn)方法。這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)麻煩，但是其統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)來(lái)說(shuō)更加精確和嚴(yán)謹(jǐn)。
在HotSpot虛擬機(jī)里使用的是第二種方法，因此它為每個(gè)方法準(zhǔn)備了兩類計(jì)數(shù)器：方法調(diào)用計(jì)數(shù)器（InvocationCounter）和回邊計(jì)數(shù)器（BackedgeCounter）。在確定虛擬機(jī)運(yùn)行參數(shù)的情況下，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器都有一定的閾值，超過(guò)閾值就會(huì)觸發(fā)JIT編譯。

編譯優(yōu)化技術(shù)

Java虛擬機(jī)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)幾乎對(duì)代碼的所有優(yōu)化措施都集中在了即時(shí)編譯器中，因此一般來(lái)說(shuō)，即時(shí)編譯器產(chǎn)生的本地代碼會(huì)比javac產(chǎn)生的字節(jié)碼更加優(yōu)秀。下面，我們介紹一些HotSpot虛擬機(jī)即時(shí)編譯器生成代碼時(shí)采用的代碼優(yōu)化技術(shù)。

公共子表達(dá)式消除

公共子表達(dá)式消除是一個(gè)普遍應(yīng)用于各種編譯器的經(jīng)典優(yōu)化技術(shù)，它的原理是：如果一個(gè)表達(dá)式E已經(jīng)計(jì)算過(guò)了，并且從先前計(jì)算到現(xiàn)在E中所有變量的值都沒(méi)有發(fā)生變化，那么E的這次計(jì)算就稱為公共子表達(dá)。對(duì)于這種表達(dá)式，就沒(méi)有必要再對(duì)其進(jìn)行計(jì)算了，使用之前計(jì)算過(guò)的值即可。

數(shù)組邊界檢查消除

數(shù)組邊界檢查消除是即時(shí)編譯器中語(yǔ)言相關(guān)的經(jīng)典優(yōu)化技術(shù)。如果有一個(gè)數(shù)組foo[]，Java語(yǔ)言在訪問(wèn)數(shù)組元素foo[i]時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行上下界的范圍檢查，即i的取值范圍是0~foo.length-1，否則將拋出運(yùn)行時(shí)異常java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。這對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)是好事情，即時(shí)程序員沒(méi)有專門編寫(xiě)防御代碼，也可以避免大部分的溢出攻擊。但是，對(duì)于虛擬機(jī)的執(zhí)行子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，每次數(shù)組元素的讀寫(xiě)操作都帶有一次隱含的條件判定操作，對(duì)于擁有大量數(shù)組訪問(wèn)的系統(tǒng)，無(wú)疑是一種性能上的負(fù)擔(dān)。
編譯器會(huì)對(duì)代碼進(jìn)行分析，如果確定某次數(shù)組訪問(wèn)一定不會(huì)越界，就可以去掉數(shù)組的上下界檢查。比如在循環(huán)訪問(wèn)數(shù)組時(shí)，編譯器只要通過(guò)數(shù)據(jù)流分析確定循環(huán)變量的取值范圍一定在[0,foo.length)之間，就可以在整個(gè)循環(huán)中把數(shù)組上下界檢查消除。
與數(shù)組邊界檢查消除類似的優(yōu)化，還有隱式異常處理，Java中空指針檢查和除數(shù)為零檢查都采用了這種思路。

方法內(nèi)聯(lián)

方法內(nèi)聯(lián)看起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際中很多方法都無(wú)法直接進(jìn)行內(nèi)聯(lián)。原因是除了使用invokespecial指令調(diào)用的私有方法、實(shí)例構(gòu)造器、父類方法以及使用invokestatic指令調(diào)用的靜態(tài)方法，還有部分final方法能夠在編譯時(shí)唯一確定執(zhí)行的方法版本，其他都可能存在多于一個(gè)版本的方法接收者，需要在運(yùn)行時(shí)才能確定，這一類方法稱為虛方法，由于Java語(yǔ)言提倡使用面向?qū)ο蟮木幊谭绞竭M(jìn)行編程，而Java語(yǔ)言默認(rèn)的實(shí)例方法就是虛方法，因此內(nèi)聯(lián)與虛方法之間產(chǎn)生矛盾。
對(duì)于一個(gè)虛方法，編譯期做內(nèi)聯(lián)的時(shí)候根本無(wú)法確定應(yīng)該使用哪個(gè)方法的版本，為了解決虛方法的內(nèi)聯(lián)問(wèn)題，Java虛擬機(jī)引入了一種稱為“類型繼承關(guān)系分析”（ClassHierarchyAnalysis，CHA）的技術(shù)，這是一種基于整個(gè)應(yīng)用程序的類型分析技術(shù)，它用于確定在目前已加載的類中，某個(gè)接口是否有多于一種實(shí)現(xiàn)，某個(gè)類是否存在子類、子類是否為抽象類等信息。
非虛方法可以直接內(nèi)聯(lián)，如果是虛方法且通過(guò)CHA分析得知某個(gè)方法只有一個(gè)版本那也可以進(jìn)行內(nèi)聯(lián)，不過(guò)這種內(nèi)聯(lián)屬于“激進(jìn)優(yōu)化”，需要預(yù)留一個(gè)“逃生門”，稱為守護(hù)內(nèi)聯(lián)。如果程序在執(zhí)行過(guò)程中，虛擬機(jī)一直沒(méi)有加載到令這個(gè)類繼承關(guān)系發(fā)生變化的類，那這個(gè)內(nèi)聯(lián)優(yōu)化的代碼就可以一直使用下去。但如果加載了導(dǎo)致繼承關(guān)系發(fā)生變化的新類，那就需要拋棄已經(jīng)編譯的代碼，返回到解釋狀態(tài)執(zhí)行，或者重新進(jìn)行編譯。
如果CHA查出來(lái)某方法有多個(gè)版本，則編譯器還會(huì)進(jìn)行最后一次努力，使用內(nèi)聯(lián)緩存InlineCache來(lái)完成方法內(nèi)聯(lián)，這是一個(gè)建立在目標(biāo)方法正常入口之前的緩存，其工作原理是：在未發(fā)生方法調(diào)用之前，內(nèi)聯(lián)緩存為空，當(dāng)?shù)谝淮握{(diào)用發(fā)生后，緩存記錄下方法接收者的版本信息。后續(xù)每次執(zhí)行都檢查版本，如果以后進(jìn)來(lái)的每次調(diào)用的方法接受者版本都是一樣的，那么這個(gè)內(nèi)聯(lián)還可以一直使用下去，否則查找虛方法表進(jìn)行方法分派。

逃逸分析

逃逸分析是目前Java虛擬機(jī)中比較前沿的優(yōu)化技術(shù)，它與類型繼承關(guān)系分析一樣，并不是直接優(yōu)化代碼的技術(shù)，而是為其他優(yōu)化手段提供依據(jù)的分析技術(shù)。逃逸分析的基本行為是分析對(duì)象動(dòng)態(tài)作用域：當(dāng)一個(gè)對(duì)象在方法里定義后，它可能被外部方法所引用，例如作為調(diào)用參數(shù)傳遞到其他方法中，稱為方法逃逸。甚至還有可能被外部線程訪問(wèn)到，譬如賦值給類變量或其他線程中訪問(wèn)的實(shí)例變量，稱為線程逃逸。
如果能證明一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸到方法或線程之外，就可以為這個(gè)變量進(jìn)行一些高效優(yōu)化：
棧上分配：Java一般是在堆上分配對(duì)象的，對(duì)象的回收依賴虛擬機(jī)的垃圾收集系統(tǒng)，垃圾收集系統(tǒng)回收和整理內(nèi)存都需要耗費(fèi)時(shí)間。如果一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸出方法之外，那讓這個(gè)對(duì)象在棧上分配會(huì)是一個(gè)不錯(cuò)的主意，對(duì)象所占用的內(nèi)存空間可以隨著棧幀出棧而銷毀，減輕了垃圾收集系統(tǒng)的壓力。
同步消除：線程同步本身是一個(gè)相對(duì)耗時(shí)的過(guò)程，如果逃逸線程分析確定一個(gè)對(duì)象不會(huì)逃逸出線程，不會(huì)被其他線程訪問(wèn)，那這個(gè)變量的讀寫(xiě)肯定不會(huì)有競(jìng)爭(zhēng)，對(duì)這個(gè)變量實(shí)施的同步措施也就可以消除掉。
標(biāo)量替換：標(biāo)量是指一個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)無(wú)法再分解成更小的數(shù)據(jù)了，Java中的原始數(shù)據(jù)類型都不能再進(jìn)一步分解，就可以稱為標(biāo)量。相對(duì)的，如果一個(gè)數(shù)據(jù)可以繼續(xù)分解，就可以稱作聚合量，Java中的對(duì)象就是典型的聚合量。如果把一個(gè)Java對(duì)象拆散，根據(jù)程序訪問(wèn)情況，將其使用到的成員變量恢復(fù)原始類型來(lái)訪問(wèn)就叫做標(biāo)量替換。如果逃逸分析證明一個(gè)對(duì)象不會(huì)被外部訪問(wèn)，并且這個(gè)對(duì)象可以被拆散的話，那程序真正執(zhí)行的時(shí)候就可能不創(chuàng)建這個(gè)對(duì)象，改為直接創(chuàng)建它的若干個(gè)成員變量來(lái)代替。將對(duì)象拆分后，除了可以讓成員變量在棧上分配和讀寫(xiě)外，還可以為后續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)建條件。

需要注意逃逸分析的性能收益是否低于它的消耗。如果要完全準(zhǔn)確地判斷一個(gè)對(duì)象是否會(huì)逃逸，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)流敏感的一系列復(fù)雜分析，從而確定程序各個(gè)分支執(zhí)行時(shí)對(duì)此對(duì)象的影響，這是一個(gè)相對(duì)耗時(shí)的過(guò)程，如果分析發(fā)現(xiàn)沒(méi)有幾個(gè)不逃逸的對(duì)象，那這些運(yùn)行期耗用的時(shí)間就白白浪費(fèi)了，所以目前虛擬機(jī)只能采用不那么準(zhǔn)確，但時(shí)間壓力相對(duì)較小的算法來(lái)完成逃逸分析。

到此，關(guān)于“怎么使用java Hotspot虛擬機(jī)內(nèi)的即時(shí)編譯器”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實(shí)踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識(shí)，請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編會(huì)繼續(xù)努力為大家?guī)?lái)更多實(shí)用的文章！