怎么理解Java即時編譯

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簡介

當 JVM 的初始化完成后，類在調(diào)用執(zhí)行過程中，執(zhí)行引擎會把字節(jié)碼轉(zhuǎn)為機器碼，然后在操作系統(tǒng)中才能執(zhí)行。在字節(jié)碼轉(zhuǎn)換為機器碼的過程中，虛擬機中還存在著一道編譯，那就是即時編譯。

最初，JVM 中的字節(jié)碼是由解釋器（ Interpreter ）完成編譯的，當虛擬機發(fā)現(xiàn)某個方法或代碼塊的運行特別頻繁的時候，就會把這些代碼認定為熱點代碼。

為了提高熱點代碼的執(zhí)行效率，在運行時，即時編譯器（JIT，Just In Time）會把這些代碼編譯成與本地平臺相關的機器碼，并進行各層次的優(yōu)化，然后保存到內(nèi)存中。

分類

在 HotSpot 虛擬機中，內(nèi)置了兩種 JIT，分別為C1 編譯器和C2 編譯器，這兩個編譯器的編譯過程是不一樣的。

C1 編譯器

C1 編譯器是一個簡單快速的編譯器，主要的關注點在于局部性的優(yōu)化，適用于執(zhí)行時間較短或?qū)有阅苡幸蟮某绦?，也稱為Client Compiler，例如，GUI 應用對界面啟動速度就有一定要求。

C2 編譯器

C2 編譯器是為長期運行的服務器端應用程序做性能調(diào)優(yōu)的編譯器，適用于執(zhí)行時間較長或?qū)Ψ逯敌阅苡幸蟮某绦颍卜Q為Server Compiler，例如，服務器上長期運行的 Java 應用對穩(wěn)定運行就有一定的要求。

分層編譯

在 Java7 之前，需要根據(jù)程序的特性來選擇對應的 JIT，虛擬機默認采用解釋器和其中一個編譯器配合工作。

Java7 引入了分層編譯，這種方式綜合了 C1 的啟動性能優(yōu)勢和 C2 的峰值性能優(yōu)勢，我們也可以通過參數(shù) -client或者-server 強制指定虛擬機的即時編譯模式。

分層編譯將 JVM 的執(zhí)行狀態(tài)分為了 5 個層次：

> 第 0 層：程序解釋執(zhí)行，默認開啟性能監(jiān)控功能（Profiling），如果不開啟，可觸發(fā)第二層編譯； > > 第 1 層：可稱為 C1 編譯，將字節(jié)碼編譯為本地代碼，進行簡單、可靠的優(yōu)化，不開啟 Profiling； > > 第 2 層：也稱為 C1 編譯，開啟 Profiling，僅執(zhí)行帶方法調(diào)用次數(shù)和循環(huán)回邊執(zhí)行次數(shù) profiling 的 C1 編譯； > > 第 3 層：也稱為 C1 編譯，執(zhí)行所有帶 Profiling 的 C1 編譯； > > 第 4 層：可稱為 C2 編譯，也是將字節(jié)碼編譯為本地代碼，但是會啟用一些編譯耗時較長的優(yōu)化，甚至會根據(jù)性能監(jiān)控信息進行一些不可靠的激進優(yōu)化。

對于 C1 的三種狀態(tài)，按執(zhí)行效率從高至低：第 1 層、第 2層、第 3層。

通常情況下，C2 的執(zhí)行效率比 C1 高出30%以上。

在 Java8 中，默認開啟分層編譯，-client 和 -server 的設置已經(jīng)是無效的了。如果只想開啟 C2，可以關閉分層編譯（-XX:-TieredCompilation），如果只想用 C1，可以在打開分層編譯的同時，使用參數(shù)：-XX:TieredStopAtLevel=1。

你可以通過 java -version命令行可以直接查看到當前系統(tǒng)使用的編譯模式：

C:\Users\Administrator>java -version
java version "1.8.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, mixed mode)

mixed mode代表是默認的混合編譯模式，除了這種模式外，我們還可以使用-Xint參數(shù)強制虛擬機運行于只有解釋器的編譯模式下，這時 JIT 完全不介入工作；也可以使用參數(shù)-Xcomp強制虛擬機運行于只有 JIT 的編譯模式下。例如：

C:\Users\Administrator>java -Xint -version
java version "1.8.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, interpreted mode)

C:\Users\Administrator>java -Xcomp -version
java version "1.8.0_45"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_45-b14)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.45-b02, compiled mode)

觸發(fā)標準

在 HotSpot 虛擬機中，熱點探測是 JIT 的觸發(fā)標準。

> 熱點探測是基于計數(shù)器的熱點探測，采用這種方法的虛擬機會為每個方法建立計數(shù)器統(tǒng)計方法的執(zhí)行次數(shù)，如果執(zhí)行次數(shù)超過一定的閾值就認為它是“熱點方法” 。

虛擬機為每個方法準備了兩類計數(shù)器：方法調(diào)用計數(shù)器（Invocation Counter）和回邊計數(shù)器（Back Edge Counter）。在確定虛擬機運行參數(shù)的前提下，這兩個計數(shù)器都有一個確定的閾值，當計數(shù)器超過閾值溢出了，就會觸發(fā) JIT 編譯。

方法調(diào)用計數(shù)器

方法調(diào)用計數(shù)器用于統(tǒng)計方法被調(diào)用的次數(shù)，默認閾值在 C1 模式下是 1500 次，在 C2 模式在是 10000 次，可通過-XX: CompileThreshold來設定；而在分層編譯的情況下-XX: CompileThreshold指定的閾值將失效，此時將會根據(jù)當前待編譯的方法數(shù)以及編譯線程數(shù)來動態(tài)調(diào)整。當方法計數(shù)器和回邊計數(shù)器之和超過方法計數(shù)器閾值時，就會觸發(fā) JIT 編譯器。

回邊計數(shù)器

回邊計數(shù)器用于統(tǒng)計一個方法中循環(huán)體代碼執(zhí)行的次數(shù)，在字節(jié)碼中遇到控制流向后跳轉(zhuǎn)的指令稱為“回邊”（Back Edge），該值用于計算是否觸發(fā) C1 編譯的閾值，在不開啟分層編譯的情況下，C1 默認為 13995，C2 默認為 10700，可通過 -XX: OnStackReplacePercentage=N來設置；而在分層編譯的情況下，-XX: OnStackReplacePercentage指定的閾值同樣會失效，此時將根據(jù)當前待編譯的方法數(shù)以及編譯線程數(shù)來動態(tài)調(diào)整。

建立回邊計數(shù)器的主要目的是為了觸發(fā) OSR（On StackReplacement）編譯，即棧上編譯。在一些循環(huán)周期比較長的代碼段中，當循環(huán)達到回邊計數(shù)器閾值時，JVM 會認為這段是熱點代碼，JIT 編譯器就會將這段代碼編譯成機器語言并緩存，在該循環(huán)時間段內(nèi)，會直接將執(zhí)行代碼替換，執(zhí)行緩存的機器語言。

優(yōu)化技術

JIT 編譯運用了一些經(jīng)典的編譯優(yōu)化技術來實現(xiàn)代碼的優(yōu)化，即通過一些例行檢查優(yōu)化，可以智能地編譯出運行時的最優(yōu)性能代碼。主要有兩種：方法內(nèi)聯(lián)、逃逸分析。

方法內(nèi)聯(lián)

調(diào)用一個方法通常要經(jīng)歷壓棧和出棧。調(diào)用方法是將程序執(zhí)行順序轉(zhuǎn)移到存儲該方法的內(nèi)存地址，將方法的內(nèi)容執(zhí)行完后，再返回到執(zhí)行該方法前的位置。

這種執(zhí)行操作要求在執(zhí)行前保護現(xiàn)場并記憶執(zhí)行的地址，執(zhí)行后要恢復現(xiàn)場，并按原來保存的地址繼續(xù)執(zhí)行。 因此，方法調(diào)用會產(chǎn)生一定的時間和空間方面的開銷（其實可以理解為一種上下文切換的精簡版）。

那么對于那些方法體代碼不是很大，又頻繁調(diào)用的方法來說，這個時間和空間的消耗會很大。

方法內(nèi)聯(lián)的優(yōu)化行為就是把目標方法的代碼復制到發(fā)起調(diào)用的方法之中，避免發(fā)生真實的方法調(diào)用。

JVM 會自動識別熱點方法，并對它們使用方法內(nèi)聯(lián)進行優(yōu)化。我們可以通過-XX:CompileThreshold來設置熱點方法的閾值。但要強調(diào)一點，熱點方法不一定會被 JVM 做內(nèi)聯(lián)優(yōu)化，如果這個方法體太大了，JVM 將不執(zhí)行內(nèi)聯(lián)操作。而方法體的大小閾值，我們也可以通過參數(shù)設置來優(yōu)化：

1. 經(jīng)常執(zhí)行的方法，默認情況下，方法體大小小于 325 字節(jié)的都會進行內(nèi)聯(lián)，我們可以通過-XX:MaxFreqInlineSize=N來設置大小值；

2. 不是經(jīng)常執(zhí)行的方法，默認情況下，方法大小小于 35 字節(jié)才會進行內(nèi)聯(lián)，我們也可以通過-XX:MaxInlineSize=N來重置大小值。

之后我們就可以通過配置 JVM 參數(shù)來查看到方法被內(nèi)聯(lián)的情況：

// 在控制臺打印編譯過程信息
-XX:+PrintCompilation
// 解鎖對 JVM 進行診斷的選項參數(shù)。默認是關閉的，開啟后支持一些特定參數(shù)對 JVM 進行診斷
-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
// 將內(nèi)聯(lián)方法打印出來
-XX:+PrintInlining

熱點方法的優(yōu)化可以有效提高系統(tǒng)性能，一般我們可以通過以下幾種方式來提高方法內(nèi)聯(lián)：

1. 通過設置 JVM 參數(shù)來減小熱點閾值或增加方法體閾值，以便更多的方法可以進行內(nèi)聯(lián)，但這種方法意味著需要占用更多地內(nèi)存；

2. 在編程中，避免在一個方法中寫大量代碼，習慣使用小方法體；

3. 盡量使用 final、private、static 關鍵字修飾方法，編碼方法因為繼承，會需要額外的類型檢查。

> 此處就聯(lián)系到了最開始提出的觀點，一個方法中的內(nèi)容越少，當該方法經(jīng)常被執(zhí)行時，則容易進行方法內(nèi)聯(lián)，從而優(yōu)化性能。

逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）是判斷一個對象是否被外部方法引用或外部線程訪問的分析技術，編譯器會根據(jù)逃逸分析的結(jié)果對代碼進行優(yōu)化。

可以通過JVM參數(shù)進行設置：

-XX:+DoEscapeAnalysis 開啟逃逸分析（jdk1.8 默認開啟）
-XX:-DoEscapeAnalysis 關閉逃逸分析

其具體優(yōu)化方法主要有三種：棧上分配、鎖消除、標量替換。

棧上分配

在 Java 中默認創(chuàng)建一個對象是在堆中分配內(nèi)存的，而當堆內(nèi)存中的對象不再使用時，則需要通過垃圾回收機制回收，這個過程相對分配在棧中的對象的創(chuàng)建和銷毀來說，更消耗時間和性能。

這個時候，逃逸分析如果發(fā)現(xiàn)一個對象只在方法中使用，就會將對象分配在棧上。

但是，HotSpot 虛擬機目前的實現(xiàn)導致棧上分配實現(xiàn)比較復雜，可以說，在 HotSpot 中暫時沒有實現(xiàn)這項優(yōu)化，所以大家可能暫時無法體會到這種優(yōu)化（我看的資料顯示在 Java8 中還沒有實現(xiàn)，如果大家有什么其他的發(fā)現(xiàn)，歡迎留言）。

鎖消除

如果是在單線程環(huán)境下，其實完全沒有必要使用線程安全的容器，但就算使用了，因為不會有線程競爭，這個時候 JIT 編譯會對這個對象的方法鎖進行鎖消除。例如：

	public static String getString(String s1, String s2) {
		StringBuffer sb = new StringBuffer();
		sb.append(s1);
		sb.append(s2);
		return sb.toString();
		}

可以通過JVM參數(shù)進行設置：

-XX:+EliminateLocks 開啟鎖消除（jdk1.8 默認開啟）
-XX:-EliminateLocks 關閉鎖消除

標量替換

逃逸分析證明一個對象不會被外部訪問，如果這個對象可以被拆分的話，當程序真正執(zhí)行的時候可能不創(chuàng)建這個對象，而直接創(chuàng)建它的成員變量來代替。將對象拆分后，可以分配對象的成員變量在?；蚣拇嫫魃?，原本的對象就無需分配內(nèi)存空間了。這種編譯優(yōu)化就叫做標量替換。

例如：

	public void foo() {
		TestInfo info = new TestInfo();
		info.id = 1;
		info.count = 99;
		// to do something
	}

逃逸分析后，代碼會被優(yōu)化為：

	public void foo() {
		id = 1;
		count = 99;
		// to do something
	}

可以通過JVM參數(shù)進行設置：

-XX:+EliminateAllocations 開啟標量替換（jdk1.8 默認開啟）
-XX:-EliminateAllocations 關閉就可以了

到此，關于“怎么理解Java即時編譯”的學習就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學習，快去試試吧！若想繼續(xù)學習更多相關知識，請繼續(xù)關注億速云網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>