字节码执行方式--解释执行和JIT

此文已由作者赵计刚薪授权网易云社区发布。

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1、两种执行方式：

• 解释执行（运行期解释字节码并执行）
  • 强制使用该模式：-Xint
• 编译为机器码执行（将字节码编译为机器码并执行，这个编译过程发生在运行期，称为JIT编译）
  • 强制使用该模式：-Xcomp，下面是两种编译模式
  • client（即C1）：只做少量性能开销比高的优化，占用内存少，适用于桌面程序。
  • server（即C2）：进行了大量优化，占用内存多，适用于服务端程序。会收集大量的运行时信息。

注意：

• 32为机器默认选择C1，可在启动时添加-client或-server来指定，64位机器若CPU>2且物理内存>2G则默认为C2，否则为C1
• Hotspot JVM执行代码的机制：对在执行过程中执行频率高的代码进行编译，对执行频率不高的代码继续解释执行

查看当前机器默认是client模式还是server模式，使用："java -version"命令，如下

其中，mixed mode表示"解释执行+编译执行"的混合模式

2、解释执行

查看 第三章 类文件结构与javap的使用 中的inc()方法的执行

或者查看《深入了解java虚拟机（第二版）》P272-P275

3、编译执行

• 编译的对象
  • 方法
  • 方法中的循环体
    • OSR编译：编译整段代码，但是只有循环体部分会执行机器码，其他部分还是解释执行
• 触发条件（执行频率大于多少）
  • 方法调用计数器：方法被调用的次数
    • client:1500  server:10000 
    • 该阈值可通过-XX:CompileThreshold来指定
    • 这里"方法调用的次数"是指一段时间（半衰周期）内的调用次数，如果半衰周期内，该次数没有达到阈值，则该次数减半。
      • -XX:-UseCounterDecay 关闭上述机制，即半衰周期的无穷大
      • -XX:CounterHalfLifeTime 半衰周期
  • 回边计数器：循环体内循环代码的执行次数（即for中代码的循环的次数）
    • client:13995  server:10700
    • 该阈值可通过-XX:OnStackReplacePercent（注意该OSRP只是一个计算回边计数阈值的中间值），回边计数阈值
      • client：CompileThreshold*OSRP/100
      • server：CompileThreshold*(OSRP-InterPreterProfilePercentage)/100
      • -XX:OnStackReplacePercent:140  InterPreterProfilePercentage:33
• 方法编译执行
  • 解释器调用方法时，检查是否有已经存在的编译版本，如果有，执行机器码，如果没有，方法调用计数器+1，然后判断方法调用计数器是否超过阈值，若超过，进行编译，后台线程进行编译，前台线程继续解释执行（即不会阻塞），直到下一次调用方法时，如果编译好了，就直接执行机器码，如果没编译好，就解释执行。
• 循环体编译执行
  • 解释器执行到循环体时，检查是否有已经存在的编译版本，如果有，执行机器码，如果没有，回边计数器+1，然后判断回边计数器是否超过阈值，若超过，进行编译，后台线程进行编译，前台线程继续解释执行（即不会阻塞），直到下一次执行到循环体时，如果编译好了，就直接执行机器码，如果没编译好，就解释执行。

4、C1优化

说明：关于全部的优化技术列表，查看《深入理解java虚拟机（第二版）》P346-P347

只做少量性能开销比高的优化，占用内存少，主要的优化包括：

• 方法内联
• 冗余消除
• 复写传播
• 消除无用代码
• 类型继承关系分析（CHA，辅助）
• 去虚拟化

4.1、方法内联、冗余消除、复写传播、消除无用代码

4.1.1、方法内联

方法内联含义：假设方法A调用了方法B，把B的指令直接植入到A中。

    static class B{
        int value;
        final int get() {
            return value;
        }
    }
    
    public void foo() {
        y = b.get();
        //do something
        z = b.get();
        sum = y + z;
    }

说明：在上述代码中，b是B的一个实例。

方法内联之后，

    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        z = b.value;
        sum = y + z;
    }

方法内联的条件：

• get()编译后的字节数<=35byte（默认） -XX:MaxInlineSize=35指定

方法内联的地位：

• 优化系列中最一开始使用的方式（因为是很多其他优化手段的基础）
• 消除方法调用的成本（建立栈帧、避免参数传递、避免返回值传递、避免跳转）

4.1.2、冗余消除

冗余消除：如上边的两个b.value冗余（前提，在do something部分没有对b.value进行操作，这也是我们在做优化之前需要先收集数据的原因）

假设在do something部分没有对b.value进行操作，进行冗余消除后，

    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        z = y;
        sum = y + z;
    }

4.1.3、复写传播

当然，在冗余消除后，JIT对上述的代码进行分析，发现变量z没用（可以完全用y来代替），进行"复写传播"之后，

    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        y = y;
        sum = y + y;
    }

4.1.4、无用代码消除

在"复写传播"后，发现"y=y"是无用代码，所以可以进行"无用代码的消除"操作，消除之后，

    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        sum = y + y;
    }

需要说明的是，这里的"无用代码的消除"是在前三部优化的基础上来做的，而javac编译中"语义分析"部分的"无用代码的消除"是直接消除一些直接写好的代码（例如：if(false){}）

4.2、类型继承关系分析、去虚拟化

public interface Animal {
    public void eat();
}

public class Cat implements Animal{
    public void eat() {
        System.out.println("cat eat fish");
    }
}

public class Test{
    public void methodA(Animal animal){
        animal.eat();
    }
}

首先分析Animal的整个"类型继承关系"，发现只有一个实现类Cat，那么在methodA(Animal animal)的代码就可以优化为如下，

    public void methodA(Animal animal){
        System.out.println("cat eat fish");
    }

但是，如果之后在运行过程中，"类型继承关系"发现Animal又多了一个实现类Dog，那么此时就不在执行之前优化编译好的机器码了，而是进行解释执行，即如下的"逆优化"。

逆优化：

当编译后的机器码的执行不再符合优化条件，则该机器码对应的部分回到解释执行。

eg.比如"去虚拟化"，如果编译之后，发现类的实现方法多于一种了，此时就要执行"逆优化"

5、C2优化

进行了大量优化，占用内存多，适用于服务端程序，对于C2优化，除了具有C1的优化措施后，还有很多优化。

逃逸分析（辅助）：

开启：-XX:+DoEscapeAnalysis

根据运行状况来判断方法中的变量是否会被方法或外部线程所读取，若不会，此变量是不逃逸的。基于此，C2在编译时会做：

• 标量替换：开启 -XX:+EliminateAllocations
• 栈上分配
• 同步削除：开启 -XX:+EliminateLocks

5.1、标量替换

含义：将一个java对象打散，根据程序，将该对象中的属性作为一个个标量来使用。

    Point point = new Point(1,2);
    System.out.println("point.x:" + point.x + ",point.y:" + point.y);
    //do after

若在//do after中（即前边两句代码之后的所有代码中）再没有其他代码访问"point对象"了，则将"point对象"打散并进行标量替换，

    int x = 1;
    int y = 2;
    System.out.println("point.x:" + x + ",point.y:" + y);

好处：

• 如果对象中定义的所有变量有的并没有被用到，"标量替换"可以节省内存
• 执行时，不需要寻找对象引用，速度会快

5.2、栈上分配

含义：确定一个方法的变量不会逃逸出当前方法之外（即该变量不会被其他方法引用），则该变量可以直接分配在栈上，随方法执行结束，栈帧消失，该变量也消失，减轻GC压力。

好处：

• 执行时，不需要根据对象引用去堆中找对象，速度会快
• 分配在栈上，随方法执行结束，栈帧消失，该变量也消失，减轻GC压力。
• 使用栈上分配，必须开启标量替换

5.3、同步削除

含义：确定一个方法的变量不会逃逸出当前线程之外（即该变量不会被其他线程使用），则对于该变量的同步策略就消除掉，如下，

    synchronized(cat){
        //do xxx
    }

若cat不会逃逸出当前线程，则同步块可以去掉，如下，

//do xxx

总结：

解释器：

• 程序启动速度比编译快
• 节省内存（不需要编译，所以不需要放置编译后的机器码）

JIT编译器：

• 时间长了，对于"热点代码"的执行会快

注意：

• 使用JIT而不是使用在编译期直接编译成机器码，除了解释器部分的两条有点外，还为了在运行期收集数据，有目的的进行编译

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