JVMの静、动态绑定异常捕获JIT即时编译

在说明静态绑定和动态绑定之前，我们首先要了解在字节码指令的层面，JVM是如何调用方法的：

例如我有以下的代码，很简单就是在main方法中调用了另一个静态方法：

public class MethodTest {
    public static void main(String[] args) {
        study();
    }

    private static void study() {
        System.out.println("... study");
    }
}

编译成的字节码文件如下：

关键在于invokestatic 这个字节码指令，它的作用就是调用一个静态方法，与此类似的还有：

invokevirtual：用于调用实例方法。
invokespecial：用于调用私有方法，构造方法，通过super关键字调用父类的构造方法。
invokeinterface：调用接口方法。
invokedynamic：用于调用动态方法。

1、静态绑定

静态绑定也称为早期绑定（Early Binding）。在编译时就决定了要调用的方法，通常会发生在调用静态方法，私有方法，final方法时。

这三种方法都有一个共同点，那就是在编译期间就能被确定。

在上面的案例中，我们可以看到，编译成的字节码文件中，调用方法的关键字后跟上了一个#符号引用，它指向常量池中的方法定义：

静态绑定的情况下，符号引用是在第一次方法被调用时，替换成为直接引用。JVM会从常量池中找到编号为2的项，根据这些信息定位到实际的类和方法，将符号引用替换为直接引用。

JVM在加载类时并不会立即解析所有符号引用。相反，符号引用的解析通常发生在第一次实际使用这些引用的时候。这种机制称为延迟解析。

例如案例中study方法的解析过程：

首先会找到常量池中#2的元素。
然后会把MethodTest类加载到内存中。
通过符号引用中的方法名和描述符，定位到study方法。
将符号引用#2替换成直接指向study方法的引用。

2、动态绑定

动态绑定也称为后期绑定（Late Binding）或运行时绑定（Runtime Binding）。在运行时决定调用哪个方法。

最常见的场景是为了支持多态：当一个父类的引用变量引用子类的对象时，调用重写的方法时会在运行时决定调用子类的实现，通常发生在invokevirtual、invokeinterface字节码指令中。

而虚方法表又是实现多态的一种方式，什么是虚方法表？

在前面的文章中提到过，类在加载阶段JVM会将读取到的字节码信息保存到内存的方法区中，生成一个InstanceKlass对象，InstanceKlass对象 中就包含了虚方法表。

例如我现在有A一直到G这么多类，每个类的父类都是上一个类。如果G类需要调用A类中的方法，难道会从G一直找到A？答案是否定的。

每个类中都有一个虚方法表，记录了类中的每个方法以及方法的地址：

如果子类继承了父类，会先复制一份父类的虚方法表，然后加上自己特有的方法，如果重写了父类中的某个方法，就会在自己类的虚方法表中将父类中被重写方法的地址指向本类。（这就是为什么子类重写了父类的方法，以子类的该方法为准。）

动态绑定时，字节码指令执行的流程是，首先根据每个对象头中的元数据指针，去找到方法区中的InstanceKlass对象，然后根据虚方法表获得对应方法的地址，最后调用方法。

下面我们通过一个案例说明一下动态绑定的执行流程：

class Animal {
    public void makeSound() {
        System.out.println("Animal sound");
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    public void makeSound() {
        System.out.println("Dog barks");
    }
}

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Animal a = new Dog();
        a.makeSound();  // 动态绑定
    }
}

当a.makeSound();执行时，会执行以下的操作：

编译阶段：a是animal类型的引用，但是指向了Dog实例，使用invokevirtual 字节码指令去调用makeSound方法，但是此时不会去决定调用哪个实例的makeSound方法。并且此时是符号引用。
加载和连接阶段：JVM会加载Animal和Dog类，并进行连接，此时常量池中的符号引用被替换成了直接引用，但是还没有动态绑定。
运行时阶段：当运行到a.makeSound()时，会真正的执行invokevirtual 字节码指令，JVM会发现a的实际类型是Dog实例。会去Dog类的虚方法表查找makeSound方法。因为Dog重写了父类的makeSound方法，makeSound方法实际指向了Dog类。
执行方法：JVM使用方法表中的直接引用调用Dog类的makeSound方法。

Animal和Dog的虚方法表：

Animal VTable:
+-----------------+
| makeSound() -> | --> 指向 Animal::makeSound
+-----------------+

Dog VTable:
+-----------------+
| makeSound() -> | --> 指向 Dog::makeSound
+-----------------+

虽然在连接阶段中的解析这一步会把符号引用替换成直接引用，但是还没有进行动态分派。需要在运行时根据对象实际的类型查询虚方法表。

3、异常捕获处理

在之前的文章中，有提到过每个方法都有其异常表，例如有一个方法：

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int i = 0;
        }catch (Exception e){
            int i = 2;
        }
    }
}

它的字节码指令：

0 iconst_0
1 istore_1
2 goto 8 (+6)
5 astore_1
6 iconst_2
7 istore_2
8 return

对应的异常表：

这个异常表中的起始PC和结束PC，表示捕获异常生效的字节码起始和结束位置。

跳转PC指的是出现异常并被捕获后，跳转到字节码指令的位置。

如果有多个catch分支捕获不同的异常呢？

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int i = 0;
        }catch (ClassCastException e){
            int i = 2;
        }catch (NullPointerException ex){
            int i= 3;
        }
    }
}

在异常表的层面会从上往下遍历，如果出现的异常与第一个不匹配，就会去查找第二个，第三个...

Finally代码块的处理，Finally代表无论是否出现异常，最终一定会执行的代码，那么在字节码的层面是如何进行处理的？

public class ExceptionTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int i = 0;
        }catch (ClassCastException e){
            int i = 2;
        }finally {
            int i = 10;
        }
    }
}

首先看一下编译后的异常表：

会发现除了catch中的ClassCastException，还多了两个any捕获类型，表示捕获所有类型的异常。

Nr.1的any，其实对应的就是try块中的代码，Nr.2的any，对应的是catch块中的代码。

实际上是把finally中的逻辑插入到了try和catch代码块中。

4、JIT即时编译

JIT（Just-In-Time）即时编译器是一种在程序运行时将Java字节码动态编译为机器码的技术，以提高程序的执行效率。

第一篇中提到过，Java语言支持跨平台特性的实现在于，Java程序在开发完成后会被编译成字节码，然后JVM会将字节码转换为具体平台的机器码进行执行。

如果有一些代码的执行频率较高，这样的代码会被称之为热点代码，会被JIT即时编译器编译成机器码的同时进行优化，保存在内存中。

在JVM中，一般有两种即时编译器：

C1：适用于需要快速启动时间的应用，如桌面应用。它在做简单优化的同时，能快速完成编译。
C2：适用于长时间运行的服务器端应用。它进行更多、更复杂的优化，以获得最佳性能。

通常情况下C1和C2不会单独工作，而是会协同进行，这就引出了分层编译机制：

4.1、分层编译

分层编译是JVM中一个重要的优化策略，它结合了C1和C2编译器的优点，既能实现快速启动，又能在长时间运行时提供高效的优化：

Tier 0 - 解释执行：JVM启动时，所有方法最初都是通过解释器执行的。这允许应用程序快速启动，因为解释执行不需要任何编译时间。
Tier 1 - 简单编译（C1 without profiling）：当一个方法被调用多次，达到一定的阈值时，JVM会使用C1编译器对其进行简单的编译。这种编译会生成未经复杂优化的机器码，但执行速度比解释执行要快。
Tier 2 - 带性能分析的编译（C1 with profiling）：在这个层次上，C1编译器不仅进行编译，还会在生成的机器码中插入性能分析代码（profiling code）。这些性能分析代码会收集运行时数据，例如方法调用频率、分支预测信息和类型分布等。这些数据将用于后续更高级别的优化。
Tier 3 - 更高级的编译（C1 with more profiling）：这一层次进一步加强性能分析，同时进行更多的中等优化。
Tier 4 - 高级编译（C2）：当方法经过充分的性能分析并被标记为热点方法时，JVM会使用C2编译器对其进行高级编译。C2编译器会利用收集到的性能数据进行深入的优化，包括内联、循环优化和逃逸分析等。

由此可见在分层编译时，JVM会优先使用C1编译器为C2编译器收集信息，协同C2编译器进行编译。C1和C2一般都是用独立的线程进行处理，线程中存有队列存放需要编译的任务。

那么C1和C2是如何协同工作的？

启动阶段：JVM启动时，所有方法通过解释器执行（Tier 0）。这保证了应用程序能够快速启动。
热点探测：JVM通过计数器机制监控方法的执行频率。当某个方法调用次数达到Tier 1的阈值时，C1编译器介入，对该方法进行简单编译。
性能分析和优化：在Tier 2和Tier 3层次上，C1编译器插入性能分析代码，收集运行时的性能数据。JVM根据这些数据判断哪些方法应该进一步优化，并在合适的时候使用C2编译器对热点方法进行高级编译。
持续优化：C2编译器对方法进行高级优化，生成高效的机器码。C2编译的机器码会替换之前C1编译的机器码或解释执行的代码。如果运行时情况发生变化，例如方法的调用频率下降或性能特征改变，JVM可以重新调整编译策略，可能会回退到C1编译，甚至返回解释执行。（称之为取消优化）

4.2、方法内联

方法内联是指在编译时，将被调用的方法的代码直接插入到调用点，而不是在运行时进行方法调用。这样做可以避免参数传递，接受返回值，创建栈帧等。

例如我有以下的代码：

public int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

public int calculate() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    return add(x, y);
}

在没有进行内联时，调用add方法，会产生一个新的栈帧，并且需要传递参数，得到返回的结果。

而通过内联，会得到如下的效果：

public int calculate() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    return x + y;  // add(x, y) 的内联结果
}

通常内联后还会进行一次常量折叠（因为案例中x和y的值是在编译时就能确定，不会动态发生变更）：

public int calculate() {
    return 30;  // 常量折叠后的代码
}

通过上面的简单案例，我们对于什么是方法内联有了一定的认识，下面总结一下方法内联的过程：

JIT编译器会根据一定的标准来识别哪些方法适合进行内联。这些标准包括方法的大小、调用频率、编译层次（如C1或C2编译器）和方法的特性（如是否为虚方法）。
一旦确定某个方法可以内联，JIT编译器会将该方法的字节码直接插入到调用点，替代原来的方法调用指令。（在代码层面，就如同上面案例将return add(x, y) 替换成return x + y）
在插入内联方法的代码后，JIT编译器会进行进一步的优化，例如常量折叠、消除无用代码和循环展开等，以最大限度地提高执行效率。

而需要实现方法内联，也要满足一定的条件，首先是方法的大小：IT编译器通常会设置一个方法大小的阈值，超过这个阈值的方法将不会被内联。其次是调用频率，经常被调用的方法更有可能被内联。以及访问修饰符，一般被private,final,static修饰的方法更容易被内联，因为它们的调用行为是确定的，不会被子类重写或动态绑定。（这一条不由得让我想到了曾经看到的八股文中final关键字的作用，其中就有一条被final修饰的常量会被虚拟机内联提高效率）

4.3、逃逸性分析

逃逸性分析（Escape Analysis）是JVM（Java虚拟机）JIT（Just-In-Time）编译器用来优化内存分配和垃圾回收的重要技术。通过分析对象的动态作用域，JVM可以确定哪些对象不会“逃逸”出其创建的方法或线程，从而进行进一步优化，如栈上分配和同步消除。

根据是否发生逃逸，及逃逸的范围，一般会将对象划分为以下的种类：

不逃逸：对象完全在创建它的方法内部使用，未被返回或传递给外部。

对于不逃逸的对象，JVM可以在栈上分配内存，而不是堆上。栈上分配的对象随着方法结束自动销毁，无需垃圾回收。

public class EscapeAnalysisDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Test test = new Test();
            System.out.println(test);
        }
    }
}

方法逃逸：对象作为返回值或参数传递给外部方法，但不逃逸出创建它的线程。

public class EscapeAnalysisDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Test test = new Test();
            method1(test);
        }
    }
}

线程逃逸：对象被其他线程访问，通常通过共享变量或线程间通信传递。

public class EscapeAnalysisDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        new Thread(()->{
            System.out.println(test);
        },"t1");
    }
}

我们再通过另一个案例详细看下逃逸性分析的过程以及JVM做出的优化

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

    public void calculate() {
        Point p = new Point(10, 20);
        System.out.println(p.x + p.y);
    }

    public static void main(String[] args) {
        Example example = new Example();
        example.calculate();
    }
}

JVM的JIT编译器会分析Point对象的逃逸性：

Point对象是在calculate()方法中被创建，p.x和p.y也都是发生在calculate()方法中的，Point对象没有传递给其他方法，也不会返回给其他方法。

4.3.1、栈上分配：

由于Point对象不逃逸，JVM可以选择在栈上分配Point的内存，而不是在堆上。这样，当 calculate()方法结束时，Point对象的内存会自动释放，无需垃圾回收。

4.3.2、同步消除

假设我们在calculate()方法中使用了同步代码块：

    public void calculate() {
        synchronized(new Point(10, 20)){
            System.out.println(p.x + p.y);
        }
    }

同步块可以被消除，因为没有其他线程会访问Point对象。

4.3.3、标量替换

JVM可以将Point对象分解为两个局部变量X和Y，避免对象的创建

public void calculate() {
    int x = 10;
    int y = 20;
    int sum = x + y;
    System.out.println(sum);
}