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一#xff1a;执行引擎介绍
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一执行引擎介绍
“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。
从外观上来看所有的Java虚拟机的执行引擎输入输出都是一致的输入的是字节码二进制流处理过程是字节码解析执行的等效过程输出的是执行结果。 二编译和解释的理解
在聊JVM的编译和解释之前可以先看看语言层面的编译和解释。
类型原理优点缺点编译型语言通过专门的编译器将所有源代码一次性转换成特定平台的机器码以可执行文件的形式存在编译一次后脱离了编译器也能运行并且运行效率高可移植性差不够灵活解释型语言通过专门的解释器根据需要可以将部分或全部源代码转换成特定平台的机器码跨平台性好通过不同的解释器将相同的源代码解释成不同平台下的机器码。一边执行一边转换效率较低
编译型语言不能跨平台常常会让人误解。C语言就是编译性语言但在windows上也能运行C程序linux也能运行C程序因为在window上编译成exe文件执行在linux上也能编译成对应的可执行文件然后执行。那为什么叫做不能跨平台呢
其实编译型语言不能跨平台表现在两个方面
可执行程序不能跨平台因为不同操作系统对可执行文件的内部结构有着截然不同的要求彼此之间也不能兼容。源代码不能跨平台不同平台支持的函数、类型、变量等都可能不同基于某个平台编写的源代码一般不能拿到另一个平台直接运行。以C语言为例 在C语言中要想让程序暂停我们可以使用“睡眠”函数。在 Windows 平台下该函数是 Sleep() 并以毫秒为时间单位而在 Linux 平台下则是 sleep() 以秒为单位。可以看出首先两个函数的首字母大小写不同再者 Sleep() 的参数是毫秒而 sleep() 的参数是秒单位也不一样。虽然不同平台的C语言都支持 long 类型但不同平台下 long 类型所占用的字节长度却不相同。例如 Windows 64 位平台下的 long 占用 4 个字节Linux 64 位平台下的 long 却占用 8 个字节。如果在 Linux 64 位平台下编写代码时将 8 字节的值赋值给 long 类型的变量这是完全没有问题的但如果是在 Windows 平台下就会导致数值溢出让程序产生错误的运行结果。
可以看出解释性语言要实现跨平台需要在代码层面对平台的兼容性做出处理但这非常麻烦。
回到JVM下图是Java程序的执行流程从图中可以看到流程中有两次编译第一次是从java文件编译成class文件第二次是JIT编译器将class文件编译成本地机器码这两次编译也被分别称为前端编译和后端编译。
前端编译与源语言有关与目标机无关(.java - .class)。后端编译与源语言无关与目标机有关(.class - 机器指令)。 至于经过字节码验证器后是走Java解释器还是走JIT编译器我们在下面介绍。
三JIT编译器
JIT(Just In Time)也就是即时编译通过JIT技术能够做到Java程序执行速度的加速。那么是怎么做到的呢我们都知道Java是一门解释型语言(或者说是半编译半解释型语言)。Java通过编译器javac先将源程序编译成与平台无关的Java字节码文件(.class)再由JVM解释执行字节码文件从而做到平台无关。 但是有利必有弊。对字节码的解释执行过程实质为JVM先将字节码翻译为对应的机器指令然后执行机器指令。很显然这样经过解释执行其执行速度必然不如直接执行二进制字节码文件。
而为了提高执行速度便引入了 JIT 技术。当JVM发现某个方法或代码块运行特别频繁的时候就会认为这是“热点代码”(Hot Spot Code)。然后JIT会把部分“热点代码”编译成本地机器相关的机器码并进行优化然后再把编译后的机器码缓存起来以备下次使用。
有些开发人员会感觉到诧异既然HotSpot VM中已经内置JIT编译器了那么为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢比如JRockit VM内部就不包含解释器字节码全部都依靠即时编译器编译后执行。
当程序启动后解释器可以马上发挥作用省去编译的时间立即执行。编译器要想发挥作用把代码编译成本地代码需要一定的执行时间。但编译为本地代码后执行效率高。所以尽管JRockit VM中程序的执行性能会非常高效但程序在启动时必然需要花费更长的时间来进行编译。对于服务端应用来说启动时间并非是关注重点但对于那些看中启动时间的应用场景而言或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。在此模式下当Java虚拟器启动时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后再执行这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移编译器发挥作用把越来越多的代码编译成本地代码获得更高的执行效率。当程序运行环境中内存资源限制较大(如部分嵌入式系统中)可以使用解释器执行节约内存反之可以使用编译执行来提升效率。此外如果编译后出现“罕见陷阱”可以通过逆优化退回到解释执行。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。JIT编译再怎么快至少也比解释执行一次略慢一些而要得到最后的执行结果还得再经过一个“执行编译后的代码”的过程。所以对“只执行一次”的代码而言解释执行其实总是比JIT编译执行要快。怎么算是“只执行一次的代码”呢粗略说这两个条件同时满足时就是严格的“只执行一次”“只被调用一次例如类的构造器”“没有循环”。对只执行一次的代码做JIT编译再执行可以说是得不偿失。对只执行少量次数的代码JIT编译带来的执行速度的提升也未必能抵消掉最初编译带来的开销。只有对频繁执行的代码JIT编译才能保证有正面的收益。
注意解释执行与编译执行在线上环境微妙的辩证关系。机器在热机状态可以承受的负载要大于冷机状态。如果以热机状态时的流量进行切流可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。在生产环境发布过程中以分批的方式进行发布根据机器数量划分成多个批次每个批次的机器数至多占到整个集群的1/8。曾经有这样的故障案例某程序员在发布平台进行分批发布在输入发布总批数时误填写成分为两批发布。如果是热机状态在正常情况下一半的机器可以勉强承载流量但由于刚启动的JVM均是解释执行还没有进行热点代码统计和JIT动态编译导致机器启动之后当前1/2发布成功的服务器马上全部宕机此故障说明了JIT 的存在。—阿里团队
想要触发JIT编译首先要识别出热点代码。目前主要的热点代码识别方式是热点探测(Hot Spot Detection)有以下两种
基于采样方式探测(Sample Based Hot Spot Detection)周期性检测各个线程的栈顶发现某个方法经常出现在栈顶就认为是热点方法。好处就是简单缺点就是无法精确确认一个方法的热度。容易受线程阻塞或别的原因干扰热点探测。基于计数器的热点探测(Counter Based Hot Spot Detection)采用这种方法的虚拟机会为每个方法甚至是代码块建立计数器统计方法的执行次数某个方法超过阀值就认为是热点方法触发JIT编译。
在HotSpot虚拟机中使用的是第二种——基于计数器的热点探测方法因此它为每个方法准备了两个计数器方法调用计数器(记录一个方法被调用次数)和回边计数器(循环的运行次数)。
四AOT编译器
JDK9引入了AOT编译器(静态提前编译器Ahead of Time Compiler)。这是与即时编译相对立的一个概念。即时编译指的是在程序的运行过程中将字节码转换为可在硬件上直接运行的机器码并部署至托管环境中的过程。而 AOT 编译指的则是在程序运行之前便将字节码转换为机器码以便在程序运行时直接使用本地代码。
AOT的优点很明显Java 虚拟机加载已经预编译成的二进制库可以直接执行。不必等待及时编译器的预热减少 Java 应用给人带来“第一次运行慢” 的不良体验。
但缺点也很明显Java语言本身的动态特性给其带来了额外的复杂性影响了Java程序静态编译代码的质量。例如Java语言中的动态类加载因为AOT是在程序运行前编译的所以无法获知这一信息所以会导致一些问题的产生。
总的来说AOT编译器从编译质量上来看肯定比不上JIT编译器。其存在的目的在于避免JIT编译器的运行时性能消耗或内存消耗或者避免解释程序的早期性能开销。
在运行速度上来说AOT编译器编译出来的代码比JIT编译出来的慢但是比解释执行的快。而编译时间上AOT也是一个始终的速度。所以说AOT编译器的存在是JVM牺牲质量换取性能的一种策略。就如JVM其运行模式中选择Mixed混合模式一样使用C1编译模式只进行简单的优化而C2编译模式则进行较为激进的优化。充分利用两种模式的优点从而达到最优的运行效率。
最后2022年11月正式发布的Spring6中引入了AOT意味着Spring生态正式引入了提前编译技术相比于JIT编译AOT有助于优化Spring框架启动慢、占用内存多、以及垃圾无法被回收等问题。
