JVM:执行引擎

执行引擎 Execution Engine

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 ，但字节码并不能直接运行在操作系统之上，因为字节码只能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。简单来说， JVM 中的执行引擎充当了将高级语言翻译成机器语言的译者

工作流程：

1. 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
2. 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
3. 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

Java代码编译和执行的过程

解释器(Interpreter)与JIT编译器

• 解释器：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析的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地及其执行指令
• JIT( Just In Time Compiler )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

JIT编译器

• 直接编译成机器指令，并且缓存起来

HotSpot JVM的执行方式

​ 当虚拟机启动的时候，解析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，根据夜店探测功能，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

概念解释：

• Java语言的 ”编译期“ 其实是一段 ”不确定“ 的操作过程，因为它可能是指一个 前端编译器 把 .java文件转变成 .class文件的过程
• 也可能是指虚拟机的 后端运行期编译期（ JIT 编译器）把字节码转变成机器码的过程
• 还可能是指使用 静态提前编译器 （ AOT 编译器 ，Ahead Of Time Compiler）直接把 .java文件编译成本地机器代码的过程

• 前端编译器：
  • Sun 的 JavaC 、 Eclipse JDT 中的增量式编译器（ ECJ ）
• JIT 编译器：
  • HotSpot VM 的 C1 、C2 编译器
• AOT 编译器：
  • GNU Compiler for the Java ( GCJ ) 、Excelsior JET

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，需要根据代码被调用执行的频率而定。

​ 需要被编译为本地代码的字节码，被称为 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，将其直接便以为对应平台的本地及其指令，以此提升 Java 程序的执行性能

热点代码：

​ 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

热点探测功能：

​ 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

HotSpot VM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
  • 方法调用计数器，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
  • 可以通过 -XX:CompileThreshold来设置
  • 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 值加一，然后判断 方法调用计数器与汇编计数器之和是否超过方法调用计数器的阈值。如果已经超过阈值，那么将会想即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。
• 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数
  • 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

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，这个过程成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虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的

​ 可以使用参数 -XX：-UseCounterDecay 来关闭热度衰减

​ 可以使用参数 -XX：CounterHalfLifeTime 参数设置半衰周期的时间，单位是秒

HotSpot VM可以设置程序执行方式

​ 缺省情况下HotSpot VM是才用解释器与编译器并存的架构。可以通过设置参数指定 Java虚拟机在运行时是什么执行。

• -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行程序。如果即时编译器出现问题，解释器会接入执行。
• -Xmixed：采用解释器 + 即时编译器的混合模式共同执行程序

java -Xint -version

HotSpot VM中JIT分类

​ HotSpot VM中内嵌两个 JIT编译器，分别为 Client Compiler和Server Compiler，简称为C1，C2

• -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

在不同的编译器上有不同的优化策略，C1编译器上主要有方法内联，去虚拟化、冗余消除

1. 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
2. 去虚拟化：对唯一的实现类进行内联
3. 冗余消除：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉

• -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

C2的优化主要是在全局层面，逃逸分析是优化的基础。

1. 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
2. 栈上分配：对于未逃逸的对象分配对象在栈而不是堆
3. 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，将字节码翻译成机器码，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

​ 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

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