执行引擎

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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”是一个相对于“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器、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与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。

2、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指令完全依赖于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。
  • 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。

3、Java代码编译和执行的过程

  • Java字节码的执行是由JVM执行引擎来执行的，如图：
  • 什么是解释器(Interpreter)？
    • 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。
  • 什么是JIT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。
  • 什么是字节码？
    • 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。编译器将源码编译成字节码,特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。

4、解释器

  • 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。
  • 解释器的执行，抽象的看是这样的：输入的代码 -> [ 解释器 解释执行 ] -> 执行结果。

5、JIT编译器

  • 当JVM发现某个方法或代码块运行特别频繁时，就会把这些代码认定为“热点代码（Hot Spot Code）”，然后JVM会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各种层次的优化，完成这个任务的编译器称为：即时编译器（Just In Time Compiler，JIT）。
  • 输入的代码 -> [ 编译器 编译 ] -> 编译后的代码 -> [ 执行 ] -> 执行结果。
  • 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Cl编译器和C2编译器。开发人员可以通过如下命令显式指定Java虚拟机在运行时到底使用哪一种即时编译器，如下所示：
    • -client：指定Java虚拟机运行在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进行耗时较长的优化，以及激进优化。但优化的代码执行效率更高。
  • 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。
    • 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值。
    • 栈上分配：对于未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synchronized。
  • 分层编译(Tiered Compilation)策略：程序解释执行(不开启性能监控)可以触发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式指定命令“-server“时，默认将会开启分层编译策略，由C1编译器和C2编译器相互协作共同来执行编译任务。
  • 总结：
    • 一般来讲，JIT编译出來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。

6、解释器和JIT编译器并存

  • 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，这样可以省去许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，以换取更高的程序执行效率。
  • 说JIT比解释快，其实说的是“执行编译后的代码”比“解释器解释执行”要快，并不是说“编译”这个动作比“解释”这个动作快。
  • 缺省情况下HotSpot VM是采用解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员可以根据具体的应用场景，通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器执行，还是完全采用即时编译器执行。
    • -Xint：完全采用解释器模式执行程序。
    • -Xcomp：完全采用即时编译器模式执厅程序。如果即时编译出现问题，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执行程序。
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public class IntCompTest {
    public static void main(String[] args) {

        long start = System.currentTimeMillis();

        testPrimeNumber(1000000);

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));

    }

    public static void testPrimeNumber(int count){
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            //计算100以内的质数
            label:for(int j = 2;j <= 100;j++){
                for(int k = 2;k <= Math.sqrt(j);k++){
                    if(j % k == 0){
                        continue label;
                    }
                }
                //System.out.println(j);
            }

        }
    }
}

使用纯解释器模式：-Xint测试结果：

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花费的时间为：10111

使用纯编译模式：-Xcomp测试结果：

1
花费的时间为：2204

使用混合模式：-Xmixed测试结果：

1
花费的时间为：1569

默认的模式：

6.1 热点代码及探测方式

  • 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次数较多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，或简称为OSR (On Stack Replacement)编译。
  • 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统计方法的调用次数。
    • 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数。

6.2 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。
  • 这个阈值可以通过虎拟机参数-XX:CompileThreshold来人为设定。
  • 当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被JIT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。

6.3 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被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间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编译，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热度的衰减(Counter Decay),而这段时间就称为此方法统计的**半衰周期(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，让方法计数器统计方法调用的绝对次数，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-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

6.4 回边计数器

  • 它的作用是统计一个方法中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。