第十二章：执行引擎

执行引擎的作用及工作过程概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念。这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的。因此可以不受物理条件制约的定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令格式。
JVM的主要任务是将字节码加载到JVM中，但是字节码并不能直接运行在操作系统上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部仅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。
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（后端编译）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。

执行引擎的工作过程

（1） 执行引擎在执行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指令需要被执行的指令地址
（3） 当然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。

从外部来看，所有的java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的：
输入：字节码的二进制流，
处理过程：字节码解析执行的等效过程，
输出：执行结果。

Java代码编译和执行的过程

黄色部分与JVM无关，是前端编译的过程。
绿色部分是解释器执行路径。
蓝色部分是JIT编译器执行路径。

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成的，如下图所示：

问题：

什么是解释器（Interpreter）？
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。
什么是JIT（Just-In-Time））编译器？
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。
为什么java是半编译型半解释型语言？
JDK1.0时代，将Java语言定位为“解释执行”还是比较准确的。再后来，Java也发展出可以直接生成本地代码的编译器。
现在JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。

机器码、指令、汇编语言

机器码

指令

指令集

汇编语言

C/C++程序执行过程：
编译过程分为两个阶段：编译和汇编。
编译过程：读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码。
汇编过程：实际上指把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。

字节码
是一种中间状态（中间码）的二进制代码（文件），比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码。
字节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。
字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。
编译器将源代码编译成字节码，特定平台上的虚拟机将字节码转译为可以直接执行的指令。

解释器

最初JVM设计者们想要实现Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。
解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将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。
当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令，执行解释操作。

解释器分类：
① 古老的字节码解释器
在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。
② 现在普遍使用的模板解释器
将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程度上提高了解释器的性能。

在Hotspot VM中，解释器主要由Interpreter模块和Code模块构成。
① Interpreter：实现了解释器的核心功能
② Code：用于管理Hotspot VM在运行时生成的本地机器指令

现状：
基于解释器的执行已经沦为低效的代名词。
为了解决该问题，JVM平台支持一种叫做即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可。

基于解释器的执行已经沦为低效的代名词。
为了解决该问题，JVM平台支持一种叫做即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可。

JIT编译器

Hotspot虚拟机采用解释器与即时编译器并存的架构。
在Java虚拟机运行的时候，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。

Hotspot JVM的执行方式

当虚拟机启动的时候，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。并且随着程序运行时间的推移，即时编译器逐渐发挥作用，根据热点预测功能，将有价值的字节码编译为本地机器指令，以换取更高的程序执行效率。

考虑一个问题，既然Hotspot中已经有了JIT编译器，为什么还要有解释器呢？

例如JRockit VM内部就不包含解释器，字节码全部依靠即时编译器编译后执行。
首先明确，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。
编译器想要发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间。但编译为本地代码后，执行效率高。
因此，尽管JRockit中程序的执行性能会非常高效，但程序在启动时必然要花费更长的时间来进行编译。对于服务端应用来说，启动时间并非是关注重点，但对于那些看中启动时间的应用场景来说，或许就需要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虚拟机启动时，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。

另外，在编译器进行激进优化而不成功时，解释器就可以作为编译器的“逃生门”。

热点代码探测确定合适JIT

概念区分：
Java语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程。因为它可能是：
① 指一个前端编译器（编译器的前端），把.java文件转变成一个.class文件。
② 也可能是指虚拟机的后端运行编译器（JIT编译器），把字节码转变成机器码的过程。
③ 还可能是指使用静态提前编译器（AOT编译器）直接把.java文件编译成本地机器代码的过程。

前端编译器：Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）
JIT编译器：Hotspot VM的C1、C2编译器
AOT编译器：GNU Compiler for the java（GCJ）、Excelsior JET

热点代码及其探测方式
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。关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为“热点代码”。JIT编译器在运行时会针对那些频繁使用的“热点代码”做深度优化，将其直接编译为对应平台的本地机器指令。
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。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 Stack Replacement）

目前Hotspot VM采用基于计数器的热点探测方法。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）。
①方法调用计数器用于统计方法的调用次数。
②回边计数器用于统计循环体执行的循环次数。

方法调用计数器：
它的默认阈值在client模式下是1500次，在Server模式下式10000次。超过这个阈值，就会触发JIT编译。
该阈值可以通过虚拟机参数-XX:CompileThreshold来设置。

热度衰减

回边计数器

Hotspot设置模式，C1与C2编译器

默认情况下Hotspot VM采用解释器与即时编译并存的架构。开发人员可以根据具体的使用场景，通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时刻是什么样的模式：
① -Xint：完全采用解释器模式执行程序
② -Xcomp：完全采用即时编译器模式执行程序，如果即时编译出现问题，解释器会介入执行
③ -Xmixed：采用两者混合模式共同执行程序

Hotspot VM的模式（C1和C2编译器）

在Hotspot VM中内嵌有两个JIT编译器，分别为client和server模式下的编译器。大多数情况下我们简称为C1编译器和C2编译器。开发人员可以通过命令显式指定Java虚拟机在运行时刻到底使用哪一种即时编译器：
-client：指定Java虚拟机运行在client模式下，并使用C1编译器。
C1 编译器会对字节码进行简单和可靠的的优化，耗时短，以达到更快的编译速度。
-server：指定Java虚拟机运行在server模式下，并使用C2编译器。
C2编译器进行耗时较长的优化，以及激进优化。并且优化的代码执行效率更高。

C1和C2不同的优化策略

在不同的编译器上有不同的优化策略。
①C1编译器上主要有方法内联，去虚拟化、冗余消除。
方法内联：将引用的函数代码编译到引用点处，这样可以减少栈帧的生成，减少参数传递以及跳转过程
去虚拟化：对唯一的实现类进行内联
冗余消除：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉
②C2的优化主要是在全局层面，逃逸分析是优化的基础。基于逃逸分析在C2上有如下几种优化：
标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
栈上分配：对于未逃逸的对象分配在栈上而不是堆中
同步消除：消除同步操作（通常指synchronized）

分层编译策略（Tiered Compilation）：

程序解释执行时（不开启性能监控），可以触发C1编译，将字节码编译成机器码，可以进行简单优化，也可以加上性能监控，C2编译会根据性能监控信息进行激进优化。
在JDK7以后，一般以-server模式启动，默认开启分层编译策略。

总结：

一般来讲，JIT编译出来的机器码性能比解释器高。
C2编译器启动时长比C1编译器慢，系统稳定执行以后，C2编译器执行速度远远快于C1编译器。

Graal编译器与AOT编译器