Java編譯執(zhí)行和解釋執(zhí)行的知識(shí)點(diǎn)有哪些

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一、前言

編程語言分為低級(jí)語言和高級(jí)語言，機(jī)器語言、匯編語言是低級(jí)語言，C、C++、java、python等是高級(jí)語言。
機(jī)器語言是最底層的語言，能夠直接執(zhí)行。而我們編寫的源代碼是人類語言,計(jì)算機(jī)只能識(shí)別某些特定的二進(jìn)制指令，在程序真正運(yùn)行之前必須將源代碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制指令。匯編語言通過匯編器翻譯成機(jī)器指令后執(zhí)行，一條匯編指令，對(duì)應(yīng)著一條機(jī)器指令。

高級(jí)語言編程的程序有三種執(zhí)行方式：

1.一種是編譯執(zhí)行，源程序先通過編譯器（負(fù)責(zé)將源程序翻譯成目標(biāo)機(jī)器指令）翻譯成機(jī)器指令，通過編譯-->鏈接-->目標(biāo)可執(zhí)行文件，然后執(zhí)行；即提前將所有源代碼一次性轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制指令，也就是生成一個(gè)可執(zhí)行程序。比如C，C++等語言都是編譯執(zhí)行的。

2.一種是解釋執(zhí)行，是使用解釋器會(huì)將我們的一句句代碼解釋成機(jī)器可以識(shí)別的二進(jìn)制代碼來執(zhí)行，可以認(rèn)為是，解釋一句，執(zhí)行一句。在這個(gè)過程中，不會(huì)生成中間文件。如：腳本方式是一條條命令，在執(zhí)行時(shí)，是由系統(tǒng)的解釋器，將其一條條翻譯成機(jī)器可識(shí)別的指令，例如shell腳本是由shell程序執(zhí)行的，js是由瀏覽器解釋執(zhí)行的。

3.最后一種是編譯和解釋相結(jié)合的執(zhí)行方式，下面我們來說Java。

二、理解Java的幾個(gè)編譯器

前端編譯器：把.java文件轉(zhuǎn)變成.class文件。包括Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式編輯器（ECJ）

后端運(yùn)行期即時(shí)編譯器（JIT編譯器，Just In Time Compiler）：把字節(jié)碼轉(zhuǎn)成機(jī)器碼。包括HotSpot VM的C1、C2編譯器

靜態(tài)提前編譯器（AOT編譯器，Ahead Of Time Compiler）：把*.java編譯成本地機(jī)器碼。包括GNU Compiler for the Java（GCJ）、Excelsior JET

三、Java采用的是解釋和編譯混合的模式

在編譯時(shí)期，我們通過將源代碼編譯成.class ，配合JVM這種跨平臺(tái)的抽象，屏蔽了底層計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和硬件的區(qū)別，實(shí)現(xiàn)了“一次編譯，到處運(yùn)行” 。 而在運(yùn)行時(shí)期，目前主流的JVM 都是混合模式（-Xmixed），即解釋運(yùn)行 和編譯運(yùn)行配合使用。

Java一開始被定位為“解釋執(zhí)行”的語言，但是現(xiàn)在主流的虛擬機(jī)中都包含了即時(shí)編譯器JIT。

程序從源代碼到運(yùn)行經(jīng)歷階段：java程序--（編譯javac）-->字節(jié)碼文件.class-->類裝載子系統(tǒng)化身為反射類Class--->運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)--->（解釋執(zhí)行+JIT編譯器編譯）-->操作系統(tǒng)（Win，Linux，Mac JVM）。

.class文件就是可以到處運(yùn)行的文件。然后Java字節(jié)碼會(huì)被轉(zhuǎn)化為目標(biāo)機(jī)器代碼，這是是由JVM來執(zhí)行的，即Java的第二次編譯。

Java采用的是解釋和編譯混合的模式:基于JVM執(zhí)行引擎當(dāng)中的解釋器interpreter與即使編譯器JIT共存

執(zhí)行引擎獲取到，由javac將源碼編譯成字節(jié)碼文件class.

然后在運(yùn)行的時(shí)候通過解釋器interpreter轉(zhuǎn)換成最終的機(jī)器碼。（解釋型）

另外JVM平臺(tái)支持一種叫作即時(shí)編譯的技術(shù)。即時(shí)編譯的目的是避免函數(shù)被解釋執(zhí)行，而是將整個(gè)函數(shù)體編譯成為機(jī)器碼，這種方式可以使執(zhí)行效率大幅度提升（直接編譯型）

JIT將字節(jié)碼轉(zhuǎn)換成最終的機(jī)器碼

以 Oracle JDK提供的HotSpot虛擬機(jī)為例，在HotSpot虛擬機(jī)中，提供了兩種編譯模式：解釋執(zhí)行 和 即時(shí)編譯（JIT，Just-In-Time）。

解釋執(zhí)行即逐條翻譯字節(jié)碼為可運(yùn)行的機(jī)器碼，而即時(shí)編譯則以方法為單位將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼（上述提到的“編譯執(zhí)行”）。前者的優(yōu)勢(shì)在于不用等待，后者則在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中效率更高。

即時(shí)編譯存在的意義在于它是提高程序性能的重要手段之一。根據(jù)“二八定律”（即：百分之二十的代碼占據(jù)百分之八十的系統(tǒng)資源），對(duì)于大部分不常用的代碼，我們無需耗時(shí)間將之編譯為機(jī)器碼，而是采用解釋執(zhí)行的方式，用到就去逐條解釋運(yùn)行；對(duì)于一些僅占據(jù)小部分的熱點(diǎn)代碼（可認(rèn)為是反復(fù)執(zhí)行的重要代碼），則可將之翻譯為符合機(jī)器的機(jī)器碼高效執(zhí)行，提高程序的效率，此為運(yùn)行時(shí)的即時(shí)編譯。

為了滿足不同的場(chǎng)景，HotSpot虛擬機(jī)內(nèi)置了多個(gè)即時(shí)編譯器：C1,C2與Graal。Graal 是Java10正式引入的實(shí)驗(yàn)性即時(shí)編譯器，在此暫不敘述（其實(shí)我不是很了解，尷尬···）。先看一下C1、C2 ，相信大家或多或少接觸過。

• C1：即Client編譯器，面向?qū)?dòng)性能有要求的客戶端GUI程序，采用的優(yōu)化手段比較簡(jiǎn)單，因此編譯的時(shí)間較短。

• C2：即Server編譯器，面向?qū)π阅芊逯涤幸蟮姆?wù)端程序，采用的優(yōu)化手段復(fù)雜，因此編譯時(shí)間長(zhǎng)，但是在運(yùn)行過程中性能更好。

從Java7開始，HotSpot虛擬機(jī)默認(rèn)采用分層編譯的方式：熱點(diǎn)方法首先被C1編譯器編譯，而后熱點(diǎn)方法中的熱點(diǎn)再進(jìn)一步被C2編譯，根據(jù)前面的運(yùn)行計(jì)算出更優(yōu)的編譯優(yōu)化。為了不干擾程序的正常運(yùn)行，JIT編譯時(shí)放在額外的線程中執(zhí)行的，HotSpot根據(jù)實(shí)際CPU的資源，以 1:2的比例分配給C1和C2線程數(shù)。在計(jì)算機(jī)資源充足的情況，字節(jié)碼的解釋運(yùn)行和編譯運(yùn)行時(shí)可以同時(shí)進(jìn)行，JIT編譯執(zhí)行完后的機(jī)器碼會(huì)在下次調(diào)用該方法時(shí)啟動(dòng)，已替換原本的解釋執(zhí)行（意思就是已經(jīng)翻譯出效率更高的機(jī)器碼，自然替換原來的相對(duì)低效率執(zhí)行的方法）。

以上，可以看出在Java中不單單是解釋執(zhí)行，即時(shí)編譯（編譯執(zhí)行）在Java性能優(yōu)化中彰顯重要的作用，所以現(xiàn)在應(yīng)該說：Java是解釋執(zhí)行和編譯執(zhí)行共同存在的，至少大部分是這樣。

四、編譯與解釋比較

1.一段程序編譯會(huì)浪費(fèi)時(shí)間，并且移植到其他平臺(tái)上時(shí)還要進(jìn)行重新編譯，但是其編譯后生成的可執(zhí)行文件運(yùn)行速度快。

2.解釋型程序可跨平臺(tái)執(zhí)行，無需將全部代碼編譯之后再運(yùn)行，能夠及時(shí)運(yùn)行，但因?yàn)槭侵饤l解釋執(zhí)行所以最終的運(yùn)行速度不如編譯型程序。

3.內(nèi)存使用：編譯執(zhí)行需要生成編譯后的機(jī)器碼文件，而解釋執(zhí)行時(shí)逐句解釋執(zhí)行，所以解釋執(zhí)行對(duì)內(nèi)存占用更少。

單獨(dú)使用解釋器的缺點(diǎn)

拋棄了JIT可能帶來的性能優(yōu)勢(shì)。如果代碼沒有被JIT編譯的話，再次運(yùn)行時(shí)需要重復(fù)解析。

單獨(dú)使用JIT編譯器的缺點(diǎn)

需要將全部的代碼編譯成本地機(jī)器碼。要花更多的時(shí)間，JVM啟動(dòng)會(huì)變慢非常多；

增加可執(zhí)行代碼的長(zhǎng)度（字節(jié)碼比JIT編譯后的機(jī)器碼小很多），這將導(dǎo)致頁面調(diào)度，從而降低程序的速度。

有些JIT編譯器的優(yōu)化方式，比如分支預(yù)測(cè)，如果不進(jìn)行profiling，往往并不能進(jìn)行有效優(yōu)化。

因此，HotSpot采用了惰性評(píng)估(Lazy Evaluation)的做法，根據(jù)二八定律，消耗大部分系統(tǒng)資源的只有那一小部分的代碼（熱點(diǎn)代碼），而這也就是JIT所需要編譯的部分。JVM會(huì)根據(jù)代碼每次被執(zhí)行的情況收集信息并相應(yīng)地做出一些優(yōu)化，因此執(zhí)行的次數(shù)越多，它的速度就越快。

JDK 9引入了一種新的編譯模式AOT(Ahead of Time Compilation)，它是直接將字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼，這樣就避免了JIT預(yù)熱等各方面的開銷。JDK支持分層編譯和AOT協(xié)作使用。

注：JIT為方法級(jí)，它會(huì)緩存編譯過的字節(jié)碼在CodeCache中，而不需要被重復(fù)解釋。

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