JVM（十）执行引擎

孤独的红心
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未命名文件 (9).png

引言

不知道大家想没想过我们编写的代码是怎么运行的。java是一种高级语言，人能看懂，但是机器是看不懂的，我们的电脑只能看懂0101的机器码。所以java需要一个能够将代码编译成机器能够看懂的机器码的软件系统--执行引擎。

铺垫知识

1.机器码

机器码是指用二进制编码方式表示的指令，能够被计算机理解和接受，使用机器码编写的程序输入计算机能够直接运行，相比其他高级语言执行速度最快。但是机器码对于人类来说则像天书，不易被理解和记忆。

指令

由于机器码是由0和1组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。指令就是把机器码中特定的0和1序列，简化成对应的指令（一般为英文简写，如mov、inc等），可读性稍好。 由于不同的硬件平台，执行同一个操作，对应的机器码可能不同，所以不同的硬件砰台的同一种指令(比如mov)，对应的机器码也可能不同。

指令集

不同的硬件平台，各自支持的指令，是有差别的。因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集。 如常见的

  • x86指令集,对应的是x86架构的平台
  • ARM指令集，对应的是ARM架构的平台

2.汇编语言

指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。在汇编语言中，用助记符(Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替指令或操作数的地址。在不同的硬件平台，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。 由于计算机只认识指令码，所以用汇编语言编写的程序还必须翻译成机器指令码，计算机才能识别和执行。

3.高级语言

为了使计算机用户编程序更容易些，后来就出现了各种高级计算机语京高级语言比机器语言、汇编语言更接近人的语言，比如C、C++、java、go等高级语言。当计算机执行高级语言编写的程序时，仍然需要把程序解释和编译成机器的指令码。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。 高级语言转换为机器码.png

4.字节码

字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件)，它比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码，主要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关（也就是java的跨平台性write once,run anywhere）。 字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将源码编译成字节码,特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。

java跨平台性.png

执行引擎

JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令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(Execution Engine）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才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行引擎架构.png

1.执行引擎组成

简单来看执行引擎主要包括解释器和JIT（即时编译器），那么什么是解释器？什么是JIT？

  • 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释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
  • 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。

至于为什么要有解释器和JIT，则和Java代码的执行方式有关：

  • 第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行，这种方式在性能上不如第二种。
  • 第二种是编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT,Just In Time）将方法编译成机器码后再执行。

2.执行引擎工作流程

  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。

执行引擎工作过程.png

HotSpot VM

HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机。它采用解释器与即时编译器并存的架构，在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器能够相互协作，各自取长补短，尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。

1.为什么要同时内置解释器和JIT？

要解释这个问题，需要知道这样两个前提条件：

  • 当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。
  • 编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间。

有了前提条件，我们就可以知道，解释器和JIT的应用场景是不一样的，对于服务端应用来说，启并非是关注重点，但对于那些看中启动时间的应用场景而言，或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。在此模式下，当Java虚拟器启动时，解释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后再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移，即时编译器发挥作用，根据热点探测功能把越来越多有价值的字节码编译为本地机器指令，从而获得更高的程序执行效率。

2.热点探测

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，则需要根据代码被调用执行的频率而定。那些需要被编译为本地代码的字节码，被称之为热点代码，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，将其直接编译为对应平台的本地机器指令，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 StackReplacement）编译。

一个方法究竟要被调用多少次，或者一个循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到这个标准?必然需要一个明确的阈值，JIT编译器才会将这些热点代码编译为本地机器指令执行。这里主要依靠热点探测功能。

基于计数器的热点探测

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。 采用基于计数器的热点探测，HotSpot VM将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
  • 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数

方法调用计数器

1.默认阈值

  • 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。这个阈值可以通过虚拟机参数-xx:CompileThreshold来人为设定。

2.执行流程
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1，然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阈值。如果已超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。

3.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，这个过程称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在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数X:-UseCounterDecay来关闭热度衰减，让方法计数器统计方法调用的绝对次数，这样，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会被编译成本地代码。 另外，可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

回边计数器

回边计数器作用是统计一个方法中循环体代码执行的次数，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。

回边计数器.png

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