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Java虚拟机中的即时编译

2022-06-194.3k 阅读

Java虚拟机中的即时编译概述

在Java程序运行过程中，Java代码首先会被编译成字节码，字节码文件可以在不同操作系统的Java虚拟机（JVM）上运行，实现了 “一次编写，到处运行” 的特性。然而，字节码本身并不能直接在硬件上高效执行，这就需要JVM将字节码进一步编译成机器码，即时编译（Just - In - Time Compilation，JIT）技术就是JVM完成这一任务的关键手段。

JIT编译并非在程序启动时就将所有字节码一次性编译成机器码，而是在程序运行过程中，根据实际情况，将热点代码（经常被执行的代码）即时编译成机器码，从而提高程序的执行效率。这种方式避免了在程序启动时花费大量时间进行全量编译，同时也能确保性能关键部分的代码得到高效执行。

即时编译的触发机制

JVM如何确定哪些代码是热点代码，进而触发即时编译呢？这主要依赖于热点探测技术。在HotSpot虚拟机中，采用了两种热点探测方式：基于采样的热点探测和基于计数器的热点探测。

基于采样的热点探测

基于采样的热点探测方式，JVM会周期性地检查线程的栈顶。如果发现某个方法经常出现在栈顶，那么就认为这个方法是热点方法。这种方式实现简单，开销较小，但由于是基于采样，可能会存在误差，比如某些短时间内频繁调用但总体执行时间不长的方法可能被误判为热点方法。

基于计数器的热点探测

基于计数器的热点探测是HotSpot虚拟机默认采用的方式。JVM为每个方法维护了两个计数器：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：用于统计方法被调用的次数。当一个方法被调用时，该方法的调用计数器就会加1。当调用计数器的值超过一定阈值（这个阈值可以通过JVM参数 -XX:CompileThreshold 来设置，在Client模式下默认值是1500，在Server模式下默认值是10000）时，就会触发即时编译。

回边计数器：主要用于统计循环体代码执行的次数。在字节码中，从循环体的末尾跳转到循环体开始位置的指令被称为 “回边”（Back Edge）。当执行到回边指令时，回边计数器加1。当回边计数器的值超过一定阈值（同样可以通过JVM参数设置，默认值与方法调用计数器的阈值相同），并且循环的次数足够多，JVM就会认为这段循环代码是热点代码，触发即时编译。

即时编译的优化策略

JIT编译器在将字节码编译成机器码的过程中，会运用多种优化策略，以提高生成的机器码的执行效率。以下是一些常见的优化策略：

方法内联（Method Inlining）

方法内联是一种非常重要的优化手段。简单来说，就是将被调用的方法的代码直接嵌入到调用处，避免了方法调用的开销。例如，假设有如下代码：

class MethodInliningExample {
    static int add(int a, int b) {
        return a + b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        int result = add(3, 5);
        System.out.println(result);
    }
}

在编译时，JIT编译器可能会将 add 方法内联到 main 方法中，生成类似如下的机器码：

class MethodInliningExample {
    public static void main(String[] args) {
        int result = 3 + 5;
        System.out.println(result);
    }
}

这样就消除了方法调用的栈操作和跳转开销，提高了执行效率。不过，方法内联也有一定的限制，比如如果被调用方法的代码量过大，内联可能会导致生成的机器码体积过大，反而降低性能。

逃逸分析（Escape Analysis）

逃逸分析是JIT编译器在编译期进行的一种分析技术，用于判断对象的作用域是否会逃逸出当前方法。如果一个对象不会逃逸出当前方法，那么JVM可以对其进行一些优化，比如栈上分配（Stack Allocation）、标量替换（Scalar Replacement）等。

栈上分配：在传统的Java内存模型中，对象都是在堆上分配的。但如果一个对象不会逃逸出当前方法，那么JVM可以将其分配在栈上，这样当方法执行结束时，栈帧被销毁，对象也随之释放，减少了垃圾回收的压力。例如：

class EscapeAnalysisExample {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            MyObject obj = new MyObject();
            // 对obj的操作都在当前方法内
        }
    }
}

class MyObject {
    // 类的成员变量等
}

在这个例子中，如果JVM通过逃逸分析判断 MyObject 对象不会逃逸出 main 方法，就可能将其分配在栈上。

标量替换：如果一个对象不会逃逸出当前方法，并且该对象的字段可以被独立访问，JVM可以将对象的字段替换为单独的局部变量，这样可以减少对象的创建和内存访问开销。例如：

class ScalarReplacementExample {
    public static void main(String[] args) {
        Point point = new Point(3, 5);
        int x = point.getX();
        int y = point.getY();
        int sum = x + y;
        System.out.println(sum);
    }
}

class Point {
    private int x;
    private int y;

    public Point(int x, int y) {
        this.x = x;
        this.y = y;
    }

    public int getX() {
        return x;
    }

    public int getY() {
        return y;
    }
}

在编译时，JIT编译器可能会进行标量替换，将 Point 对象的 x 和 y 字段直接替换为局部变量，避免了对象的创建和方法调用开销。

公共子表达式消除（Common Subexpression Elimination）

公共子表达式消除是指在编译过程中，如果发现一些子表达式的值在程序的不同地方被重复计算，JIT编译器会将这些公共子表达式提取出来，只计算一次，并将结果复用。例如：

class CSEExample {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 3;
        int b = 5;
        int c = a + b;
        int d = a + b;
        System.out.println(c + d);
    }
}

在这个例子中，a + b 是一个公共子表达式。JIT编译器可能会将其优化为：

class CSEExample {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 3;
        int b = 5;
        int temp = a + b;
        int c = temp;
        int d = temp;
        System.out.println(c + d);
    }
}

这样就减少了重复计算，提高了执行效率。

即时编译的层次

在HotSpot虚拟机中，即时编译分为多个层次，不同层次的编译采用不同的优化策略和编译速度，以平衡编译时间和生成代码的执行效率。

C1编译器（Client Compiler）

C1编译器是为客户端应用场景设计的，它的编译速度较快，但优化程度相对较低。C1编译器主要进行一些基础的优化，如方法内联、常量传播等。在客户端应用中，启动速度往往比较重要，C1编译器能够快速将字节码编译成机器码，使程序能够尽快启动并开始运行。

C2编译器（Server Compiler）

C2编译器是为服务器端应用场景设计的，它的优化程度更高，但编译速度相对较慢。C2编译器会进行更深入的优化，如逃逸分析、循环展开、公共子表达式消除等。在服务器端应用中，程序通常会长时间运行，因此花费更多时间进行深度优化以提高长期执行效率是值得的。

Graal编译器

Graal编译器是Oracle开发的新一代即时编译器，它旨在提供比C2编译器更高的优化水平，同时保持较好的编译性能。Graal编译器采用了现代的编译技术和优化算法，例如基于图的优化、自适应优化等。通过对字节码进行更全面的分析和优化，Graal编译器能够生成执行效率更高的机器码。此外，Graal编译器还支持动态编译，即可以在程序运行过程中根据实际情况对代码进行重新编译和优化，进一步提高性能。

即时编译的实际应用与影响

即时编译技术对Java应用程序的性能有着深远的影响。在实际应用中，我们可以通过一些手段来观察和优化即时编译的效果。

观察即时编译的过程

我们可以通过JVM提供的一些参数来观察即时编译的过程。例如，使用 -XX:+PrintCompilation 参数可以在控制台输出即时编译的详细信息，包括被编译的方法、编译的层次、编译耗时等。以下是一个简单的示例：

public class PrintCompilationExample {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            calculate(i);
        }
    }

    static int calculate(int num) {
        return num * num;
    }
}

在运行上述代码时，添加 -XX:+PrintCompilation 参数，我们可以看到类似如下的输出：

   33    1       3       java.lang.String::hashCode (68 bytes)
   35    2       3       java.lang.String::charAt (29 bytes)
   37    3       3       PrintCompilationExample::calculate (14 bytes)

从输出中我们可以了解到哪些方法被即时编译了，以及编译的层次（这里的 3 表示C1编译层次）。

优化即时编译的效果

为了优化即时编译的效果，我们可以根据应用程序的特点调整JVM参数。例如，如果应用程序是一个启动速度要求较高的客户端应用，可以适当调整 -XX:CompileThreshold 参数，降低热点方法的阈值，使C1编译器更快地对热点方法进行编译。相反，如果是一个长时间运行的服务器端应用，可以通过调整参数来让C2编译器更好地发挥作用，如增加堆内存大小，以支持更复杂的优化。

此外，我们在编写Java代码时，也可以考虑即时编译的优化策略。例如，尽量避免编写代码量过大的方法，以提高方法内联的成功率；合理设计对象的作用域，以利于逃逸分析等。

即时编译与其他编译技术的对比

除了即时编译，还有一些其他的编译技术，如提前编译（Ahead - Of - Time Compilation，AOT）。AOT编译是在程序运行前，将Java代码直接编译成机器码，而不是像JIT那样在运行时进行编译。

AOT编译的特点

AOT编译的优点在于可以在程序启动前就完成编译，避免了JIT编译在运行时带来的编译开销，从而加快程序的启动速度。此外，AOT编译可以利用更多的全局信息进行优化，因为它可以对整个程序进行分析。然而，AOT编译也有一些缺点。由于它是在程序运行前编译，无法根据程序运行时的实际情况进行动态优化，例如无法对热点代码进行针对性的优化。而且，AOT编译生成的机器码与目标平台紧密相关，失去了Java “一次编写，到处运行” 的跨平台特性。

与即时编译的结合

在实际应用中，也可以将AOT编译与JIT编译结合使用。例如，在一些对启动速度要求极高的场景下，可以先使用AOT编译生成部分机器码，然后在程序运行过程中，再利用JIT编译对热点代码进行进一步优化。这样既可以提高启动速度，又能在程序运行过程中获得较好的性能提升。

即时编译的未来发展

随着Java技术的不断发展，即时编译技术也在持续演进。未来，即时编译技术可能会在以下几个方面取得进展：

更智能的优化策略

JIT编译器将能够利用更多的运行时信息和机器学习技术，实现更智能的优化。例如，通过对程序运行时的性能数据进行分析，动态调整优化策略，根据不同的应用场景和硬件环境，生成最适合的机器码。

与新硬件架构的适配

随着新的硬件架构如多核处理器、GPU等的不断发展，即时编译技术需要更好地适配这些新架构。例如，优化代码在多核处理器上的并行执行，充分利用GPU的计算能力，以提高Java程序在新硬件环境下的性能。

提高编译效率与代码质量的平衡

未来的即时编译技术将致力于在提高编译效率和生成高质量代码之间找到更好的平衡。一方面，通过改进编译算法和优化策略，减少编译时间，另一方面，确保生成的机器码具有更高的执行效率，满足日益增长的应用性能需求。

综上所述，即时编译技术是Java虚拟机的核心技术之一，它对Java应用程序的性能有着至关重要的影响。通过深入了解即时编译的原理、优化策略和实际应用，开发人员可以更好地编写高效的Java代码，并通过合理调整JVM参数，充分发挥即时编译的优势，提升应用程序的性能。同时，关注即时编译技术的未来发展趋势，也有助于我们在不断变化的技术环境中保持竞争力。