Java编译原理

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作为一个程序员,我们常挂在嘴边的"编译"是指把各个语言写出来的文件转换成JVM可识别文件的一个过程,如将.java程序编译成java字节码文件,即 .class文件,其实对于一个计算机来说,字节码文件并不能被识别,需要把字节码转换成机器指令,才是计算机层面的编译,这个过程是虚拟机做的。以上两个“编译”过程整合才是真正的编译原理,如下图:

根据完成的任务不同,可以将编译器的组成部分划分为前端(Front End)与后端(Back End)。

前端编译主要指与源语言有关但与目标机无关的部分,包括词法分析、语法分析、语义分析与中间代码生成。
后端编译主要指与目标机有关的部分,包括代码优化和目标代码生成等。

我们可以把将.java文件编译成.class的编译过程称之为前端编译。把将.class文件翻译成机器指令的编译过程称之为后端编译。

前端编译

我们所熟知的javac的编译就是前端编译。除了这种以外,我们使用的很多IDE,如eclipse,idea等,都内置了前端编译器。主要功能就是把.java代码转换成.class代码

后端编译

JVM 通过解释字节码将其翻译成对应的机器指令,逐条读入,逐条解释翻译。很显然,经过解释执行,其执行速度必然会比可执行的二进制字节码程序慢很多。这就是传统的JVM的解释器(Interpreter)的功能。为了解决这种效率问题,引入了 JIT 技术。

JAVA程序还是通过解释器进行解释执行,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”翻译成本地机器相关的机器码,并进行优化,然后再把翻译后的机器码缓存起来,以备下次使用。

HotSpot虚拟机中内置了两个JIT编译器:Client Complier和Server Complier,分别用在客户端和服务端,目前主流的HotSpot虚拟机中默认是采用解释器与其中一个编译器直接配合的方式工作。

当 JVM 执行代码时,它并不立即开始编译代码。首先,如果这段代码本身在将来只会被执行一次,那么从本质上看,编译就是在浪费精力。因为将代码翻译成 java 字节码相对于编译这段代码并执行代码来说,要快很多。第二个原因是最优化,当 JVM 执行某一方法或遍历循环的次数越多,就会更加了解代码结构,那么 JVM 在编译代码的时候就做出相应的优化。

在机器上,执行java -version命令就可以看到自己安装的JDK中JIT是哪种模式:

上图是我的机器上安装的jdk1.8,可以看到,他是Server Compile,但是,需要说明的是,无论是Client Complier还是Server Complier,解释器与编译器的搭配使用方式都是混合模式,即上图中的mixed mode。

热点检测

上面我们说过,要想触发JIT,首先需要识别出热点代码。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:

1、基于采样的方式探测(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险在栈顶,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。

2、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:方法调用计数器和回边计数器。

方法计数器。顾名思义,就是记录一个方法被调用次数的计数器。

回边计数器。是记录方法中的for或者while的运行次数的计数器。