深入浅出JVM之执行引擎的解释执行与编译执行

news2024/12/25 16:37:16

本篇文章围绕执行引擎，深入浅出的解析执行引擎中解释器与编译器的解释执行和编译执行、执行引擎的执行方式、逃逸分析带来的栈上分配、锁消除、标量替换等优化以及即时编译器编译对热点代码的探测

执行引擎

hotspot执行引擎结构图

执行引擎分为解释器、JIT即时编译器以及垃圾收集器

执行引擎通过解释器/即时编译器将字节码指令解释/编译为对应OS上的的机器指令

本篇文章主要围绕解释器与即时编译器，垃圾收集器将在后续文章解析

解释执行与编译执行

Java虚拟机执行引擎在执行Java代码时，会有两种选择:解释执行和编译执行

解释执行：通过字节码解释器把字节码解析为机器语言执行

编译执行：通过即时编译器产生本地代码执行

Class文件中的代码到底是解释执行还是编译执行只有Java虚拟机自己才能判断准确

编译过程

经典编译原理: 1.对源码进行词法，语法分析处理 2.把源码转换为抽象语法树

javac编译器完成了对源码进行词法，语法分析处理为抽象语法树，再遍历抽象语法树生成线性字节码指令流的过程

剩下的指令流有两种方式执行

由虚拟机内部的字节码解释器去将字节码指令进行逐行解释（解释执行）
或优化器（即时编译器）优化代码最后生成目标代码（编译执行）

执行引擎流程图

解释器与编译器

解释器

作用: 对字节码指令逐行解释

优点: 程序启动，解释器立即解释执行

缺点: 低效

即时编译器 (just in time compiler)

Java中的"编译期"不确定

可能说的是执行javac指令时的前端编译器 (.java->.class)
也可能是后端编译器JIT (字节指令->机器指令)
还可能是AOT编译器(静态提前编译器) (.java->机器指令)

作用: 将方法编译成机器码缓存到方法区，每次调用该方法执行编译后的机器码

优点: 即时编译器把代码编译成本地机器码，执行效率高，高效

缺点: 程序启动时，需要先编译再执行

执行引擎执行方式

执行引擎执行方式大致分为3种

-Xint: 完全采用解释器执行

-Xcomp: 优先采用即时编译器执行，解释器是后备选择

-Xmixed: 采用解释器 + 即时编译器

hotspot中有两种JIT即时编译器

Client模式下的C1编译器：简单优化，耗时短（C1优化策略：方法内联，去虚拟化，冗余消除）

Server模式下的C2编译器：深度优化，耗时长 （C2主要是逃逸分析的优化：标量替换，锁消除，栈上分配）

分层编译策略：程序解释执行（不开启逃逸分析）可以触发C1编译，开启逃逸分析可以触发C2编译

解释器，C1，C2编译器同时工作，热点代码可能被编译多次

解释器在程序刚刚开始的时候解释执行，不需要承担监控的开销

C1有着更快的编译速度，能为C2编译优化争取更多时间

C2用高复杂度算法，编译优化程度很高的代码

逃逸分析带来的优化

当对象作用域只在某个方法时，不会被外界调用到，那么这个对象就不会发生逃逸

开启逃逸分析后，会分析对象是否发生逃逸，当不能发生逃逸时会进行栈上分配、锁消除、标量替换等优化

栈上分配内存

 //-Xms1G -Xmx1G -XX:+PrintGCDetails 
 public class StackMemory {
     public static void main(String[] args) {
         long start = System.currentTimeMillis();
 
         for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
             memory();
         }
 
         System.out.println("花费时间:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
 
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }
 
     private static void memory(){
         StackMemory memory = new StackMemory();
     }
 }
复制代码

-XX:-DoEscapeAnalysis 花费时间:63ms (未开启逃逸分析)

-XX:+DoEscapeAnalysis 花费时间:4ms (开启逃逸分析)

默认开启逃逸分析

锁消除

同步加锁会带来开销

锁消除：当加锁对象只作用某个方法时，JIT编译器借助逃逸分析判断使用的锁对象是不是只能被一个线程访问，如果是这种情况下就不需要同步，可以取消这部分代码的同步，提高并发性能

标量替换

标量: 无法再分解的数据 (基本数据类型)

聚合量: 还可以再分解的数据 (对象)

标量替换: JIT借助逃逸分析，该对象不发生逃逸，只作用于某个方法会把该对象(聚合量)拆成若干个成员变量(标量)来代替

默认开启标量替换

 public class ScalarSubstitution {
     static class Man{
         int age;
         int id;
 
         public Man() {
         }
     }
 
     public static void createInstance(){
         Man man = new Man();
         man.id = 123;
         man.age = 321;
     }
     public static void main(String[] args) {
         long start = System.currentTimeMillis();
 
         for (int i = 0; i < 10000000; i++) {
             createInstance();
         }
 
         System.out.println("花费时间:"+(System.currentTimeMillis()-start)+"ms");
 
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1000);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
     }
 }
复制代码

 //-Xmx200m -Xms200m -XX:+PrintGCDetails 
 //-XX:+DoEscapeAnalysis 设置开启逃逸分析
 //-XX:-EliminateAllocations 设置不开启标量替换 
 //开启逃逸分析 + 关闭标量替换 : 花费时间:93ms
 //开启逃逸分析 + 开启标量替换  : 花费时间:6ms
复制代码