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.Net Discovery系列之十一-深入理解平台机制与性能影响 (中)

   上一篇文章中Aicken为大家介绍了.Net平台的垃圾回收机制与其对性能的影响,这一篇中将继续为大家介绍.Net平台的另一批黑马—JIT。
   有关JIT的机制分析
   ● 机制分析
   以C#为例,在C#代码运行前,一般会经过两次编译,第一阶段是C#代码向MSIL的编译,第二阶段是IL向本地代码的编译。第一阶段的编译成果是生成托管模块,第二阶段的编译成果是生成本地代码以供运行,从这里各位同学可以看出,第一阶段生成的MSIL是不能直接运行的。必须指出的是JIT在第一次编译IL后,会修改对应方法相应的内存地址入口,下一次需要执行这个方法时,CLR会直接访问对应的内存地址,而不会经过JIT了。
   以Load()方法为例,假如Load()方法中调用了两次同类型中的方法:
Void Load()
{
   A.a1("First");
   A.a1("Second");
}
static class A
{
   Public void a1(string str){}
   Public void a2(string str){}
   Public void a3(string str){}
}
   运行时,操作系统会根据托管模块中各种头信息,装载相应的运行时框架,Load()被加载,由于是第一次加载,这会触发对Load()的即时编译,JIT会检测Load()中引用的所有类型,并结合元数据遍历这些类型中定义的所有方法实现,并用一个特殊的HashTable(仅用于理解)储存这些类型方法与其对应的入口地址(在未被JIT前,这个入口地址为一个预编译代理(PreJitStub),这个代理负责触发JIT编译),根据这些地址,就可以找到对应的方法实现。
   在初始化时,HashTable中各个方法指向的并不是对应的内存入口地址,而是一个JIT预编译代理,这个函数负责将方法编译为本地代码。注意,这里JIT还没有进行编译,只是建立了方法表!

 

图2方法表、方法描述、预编译代理关系


   图2中所示的MS核心引擎指的是一个叫做MSCorEE的DLL,即Microsoft .NET Runtime Execution Engine,它是一个桥接DLL,连同mscorwks.dll主要完成以下工作:
   1.查找程序集中包含的对应类型清单,并调用元数据遍历出包含的方法。
   2.结合元数据获得这个方法的IL。
   3.分配内存。
   4.编译IL本地代码,并保存在第3步所分配的内存中。
   5.将类型表(就是指上文中提到的HashTable)中方法地址修改为第3步所分配的内存地址。
   6.跳转至本地代码中执行。
   所以随着程序的运行时间增加,越来越多的方法的IL被编译为本地代码,JIT的调用次数也会不断减少。
   下面借助WinDbg来证实以上的说法,加载WinDbg的过程略。以下测试源代码可以从这里下载http://files.cnblogs.com/isline/IsLine.JITTester.rar
namespace JITTester
{
   public partial class Form1 : Form
   {
       public Form1()
      {
         InitializeComponent();
      }
      private void Form1_Load(object sender, EventArgs e)
      {
      }
      private void GO_Click(object sender, EventArgs e)
      {
         new A().a1();
         lb_msg.Text = "调用完毕!";
      }
   }
   class A
   {
      public void a1() { }
      public C a2 = new C();
   }
   class B
   {
      public void b1() { }
      public void b2() { }
   }
   class C
   {
      public void c1() { }
       public void c2() { }
   }
}
   使用name2ee命令遍历所有已加载模块,如下图:

 

图3 查看类型信息


   回车后注意高亮区域的信息:

 

图4 JIT前A类型的信息


   高亮区域显示的是“”,这说明虽然运行和程序,但未点击按钮时,A类型未被JIT,因为它还没有入口地址。这一点体现了即时、按需编译的思想。
   同样,!name2ee *!JITTester.B和!name2ee *!JITTester.C命令会得到同样的结果。
   好,现在继续,Detach Debuggee进程,并回到程序中点击“GO”按钮

 

图5 点击按钮


   然后重新附加进程,这时程序已经调用了new A().a1()方法,并重新执行令!name2ee *!JITTester.A ,注意高亮部分

 

图6 JIT后A类型的信息>


   和图4中的信息比较,图6中的方法表地址已经变为JIT后的内存地址,这时图2中的Stub槽将被一条强制跳转语句替换,跳转目标与该地址有关。这一点说明JIT在大多情况下,只编译一次代码。
   同样命令查看B类型:

 

图7 JIT后B类型的信息


   该类型未被调用,所以还未被JIT。
   C类型:

 

图8 JIT后C类型的信息


   由于实例化A类型时和C类型相关,所以C类型已经JIT了。
   这就是一个类型被JIT的全部过程。
   ● 性能影响分析
   通过以上的分析,大家已经能够了解,即时编译这个过程是在运行时发生的,这会不会对性能产生影响呢?事实上答案是虽然是肯定的,但这种开销物有所值,并且如上所说的,JIT在第一次编译IL后,会修改对应方法相应的内存地址入口(绕口啊~~),下一次需要执行这个方法时,CLR会直接访问对应的内存地址,而不会经过JIT了。
   1.JIT所造成的性能开销并不显著。
   2.JIT遵循计算机体系理论中两个经典理论:局部性原理与8020原则。局部性原理指出,程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令,这包括空间的和时间的,将局部性原理引申可以得出,程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令,以及这些正在使用的数据和指令临近的数据和指令(凭印象写的,但不曲解原意);而8020原则指出,系统大多数时间总是花费80%的时间去执行那20%的代码。
   根据这两个原则,JIT在运行时会实时的向前、后优化代码,这样的工作只有在运行时才可以做到。
   3.JIT只编译需要的那一段代码,而不是全部,这样节约了不必要的内存开销。
   4.JIT会根据运行时环境,即时的优化IL代码,即同样的IL代码运行在不同CPU上,JIT编译出的本地代码是不同的,这些不同代码面向自己的CPU做出了优化。
   5.JIT会对代码的运行情况进行检测,并对那些特殊的代码经行重新编译,在运行过程中不断优化。

   此外你可以利用NGen.exe创建托管程序集的本机映像,运行该程序集时,就会自动使用该本机映像而不是JIT它们。这听起来似乎很美妙,但是你必须做好以下准备:
   1.当FrameWork版本、CPU类型、操作系统版本发生变化时,.Net会恢复JIT机制。
   2.NGen.exe工具并不能避免发布IL,事实上,即使使用NGen.exe工具,CLR依然会使用到元数据和IL。
   3.忽略了局部性原理(上一节中提到的),系统会加载整个映像文件到内存中,并很可能重定位文件,修正内存地址引用。
   4.NGen.exe生成的代码无法在运行时进行优化,无法直接访问静态资源,也无法在应用程序域之间共享程序集。
   所以,除非你已十分清楚程序性能是由于首次编译造成的性能问题,否则尽量不要人工生成本地代码。
   JIT很优秀,它不但有编译的本事,还会根据内存资源情况换出使用率低的代码,节省资源,这对于一些基于.Net平台的电子产品是很重要的。基于B/S模式运行的系统,如果使用率较高,可以基本忽略JIT带来的性能损失,因为根据局部性原理与8020原则,常用的模块都是编译完毕的,只有那些不常用的模块,在第一次使用时会被编译,并损失用一些时间。

未完

      下一篇中,Aicken将会为大家介绍.Net Exception机制、字符串驻留机制以及其带来的性能问题,敬请期待。

      我是Aicken(李鸣) 请您继续关注我的下一篇文章。

 

“.Net Discovery 系列”是讲解.Net平台本质的文章,现在已经有:

    .Net Discovery 系列之七--深入理解.Net垃圾收集机制(拾贝篇) 发布在新年第一秒

    .Net Discovery 系列之五--Me JIT(深入浅出.Net JIT 上)

    .Net Discovery 系列之六--Me JIT(深入浅出.Net JIT 下)

    .Net Discovery 系列之三--深入理解.Net垃圾收集机制(上)

    .Net Discovery 系列之四--深入理解.Net垃圾收集机制(下)

    .Net Discovery 系列之一--string从入门到精通(上)

    .Net Discovery 系列之二--string从入门到精通(下)

posted on 2010-04-07 11:46 Aicken(李鸣) 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏