Java字節碼執行方式--解釋執行和JIT

注:主要參考自《分佈式java應用:基礎與實踐》《深入理解Java虛擬機(第二版)》
 
1、兩種執行方式:
· 解釋執行(運行期解釋字節碼並執行)
· 強制使用該模式:-Xint
· 編譯爲機器碼執行(將字節碼編譯爲機器碼並執行,這個編譯過程發生在運行期,稱爲JIT編譯)
· 強制使用該模式:-Xcomp,下面是兩種編譯模式
· client(即C1):只做少量性能開銷比高的優化,佔用內存少,適用於桌面程序。
· server(即C2):進行了大量優化,佔用內存多,適用於服務端程序。會收集大量的運行時信息。
注意:
· 32爲機器默認選擇C1,可在啓動時添加-client或-server來指定,64位機器若CPU>2且物理內存>2G則默認爲C2,否則爲C1
· Hotspot JVM執行代碼的機制:對在執行過程中執行頻率高的代碼進行編譯,對執行頻率不高的代碼繼續解釋執行
查看當前機器默認是client模式還是server模式,使用:"java -version"命令。其中,mixed mode表示"解釋執行+編譯執行"的混合模式
2、解釋執行
查看 第三章 類文件結構與javap的使用 中的inc()方法的執行
或者查看《深入瞭解java虛擬機(第二版)》P272-P275
3、編譯執行
· 編譯的對象
· 方法
· 方法中的循環體
· OSR編譯:編譯整段代碼,但是隻有循環體部分會執行機器碼,其他部分還是解釋執行
· 觸發條件(執行頻率大於多少)
· 方法調用計數器:方法被調用的次數
· client:1500  server:10000 
· 該閾值可通過-XX:CompileThreshold來指定
· 這裏"方法調用的次數"是指一段時間(半衰週期)內的調用次數,如果半衰週期內,該次數沒有達到閾值,則該次數減半。
· -XX:-UseCounterDecay 關閉上述機制,即半衰週期的無窮大
· -XX:CounterHalfLifeTime 半衰週期
·
· 回邊計數器:循環體內循環代碼的執行次數(即for中代碼的循環的次數)
· client:13995  server:10700
· 該閾值可通過-XX:OnStackReplacePercent(注意該OSRP只是一個計算回邊計數閾值的中間值),回邊計數閾值
· client:CompileThreshold*OSRP/100
· server:CompileThreshold*(OSRP-InterPreterProfilePercentage)/100
· -XX:OnStackReplacePercent:140  InterPreterProfilePercentage:33
· 方法編譯執行
· 解釋器調用方法時,檢查是否有已經存在的編譯版本,如果有,執行機器碼,如果沒有,方法調用計數器+1,然後判斷方法調用計數器是否超過閾值,若超過,進行編譯,後臺線程進行編譯,前臺線程繼續解釋執行(即不會阻塞),直到下一次調用方法時,如果編譯好了,就直接執行機器碼,如果沒編譯好,就解釋執行。
· 循環體編譯執行
· 解釋器執行到循環體時,檢查是否有已經存在的編譯版本,如果有,執行機器碼,如果沒有,回邊計數器+1,然後判斷回邊計數器是否超過閾值,若超過,進行編譯,後臺線程進行編譯,前臺線程繼續解釋執行(即不會阻塞),直到下一次執行到循環體時,如果編譯好了,就直接執行機器碼,如果沒編譯好,就解釋執行。
 
4、C1優化
說明:關於全部的優化技術列表,查看《深入理解java虛擬機(第二版)》P346-P347
只做少量性能開銷比高的優化,佔用內存少,主要的優化包括:
· 方法內聯
· 冗餘消除
· 複寫傳播
· 消除無用代碼
· 類型繼承關係分析(CHA,輔助)
· 去虛擬化
4.1、方法內聯、冗餘消除、複寫傳播、消除無用代碼
4.1.1、方法內聯
方法內聯含義:假設方法A調用了方法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;
    }
說明:在上述代碼中,b是B的一個實例。
方法內聯之後,
    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        z = b.value;
        sum = y + z;
    }
方法內聯的條件:
· get()編譯後的字節數<=35byte(默認) -XX:MaxInlineSize=35指定
方法內聯的地位:
· 優化系列中最一開始使用的方式(因爲是很多其他優化手段的基礎)
· 消除方法調用的成本(建立棧幀、避免參數傳遞、避免返回值傳遞、避免跳轉)
4.1.2、冗餘消除
冗餘消除:如上邊的兩個b.value冗餘(前提,在do something部分沒有對b.value進行操作,這也是我們在做優化之前需要先收集數據的原因)
假設在do something部分沒有對b.value進行操作,進行冗餘消除後,
    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        z = y;
        sum = y + z;
    }
4.1.3、複寫傳播
當然,在冗餘消除後,JIT對上述的代碼進行分析,發現變量z沒用(可以完全用y來代替),進行"複寫傳播"之後,
    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        y = y;
        sum = y + y;
    }
4.1.4、無用代碼消除
在"複寫傳播"後,發現"y=y"是無用代碼,所以可以進行"無用代碼的消除"操作,消除之後,
    public void foo() {
        y = b.value;
        //do something
        sum = y + y;
    }
需要說明的是,這裏的"無用代碼的消除"是在前三部優化的基礎上來做的,而javac編譯中"語義分析"部分的"無用代碼的消除"是直接消除一些直接寫好的代碼(例如:if(false){})
 
4.2、類型繼承關係分析、去虛擬化
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的整個"類型繼承關係",發現只有一個實現類Cat,那麼在methodA(Animal animal)的代碼就可以優化爲如下,
    public void methodA(Animal animal){
        System.out.println("cat eat fish");
    }
但是,如果之後在運行過程中,"類型繼承關係"發現Animal又多了一個實現類Dog,那麼此時就不在執行之前優化編譯好的機器碼了,而是進行解釋執行,即如下的"逆優化"。
逆優化:
當編譯後的機器碼的執行不再符合優化條件,則該機器碼對應的部分回到解釋執行。
eg.比如"去虛擬化",如果編譯之後,發現類的實現方法多於一種了,此時就要執行"逆優化"
 
5、C2優化
進行了大量優化,佔用內存多,適用於服務端程序,對於C2優化,除了具有C1的優化措施後,還有很多優化。
逃逸分析(輔助):
開啓:-XX:+DoEscapeAnalysis
根據運行狀況來判斷方法中的變量是否會被方法或外部線程所讀取,若不會,此變量是不逃逸的。基於此,C2在編譯時會做:
· 標量替換:開啓 -XX:+EliminateAllocations
· 棧上分配
· 同步削除:開啓 -XX:+EliminateLocks
5.1、標量替換
含義:將一個java對象打散,根據程序,將該對象中的屬性作爲一個個標量來使用。
    Point point = new Point(1,2);
    System.out.println("point.x:" + point.x + ",point.y:" + point.y);
    //do after
若在//do after中(即前邊兩句代碼之後的所有代碼中)再沒有其他代碼訪問"point對象"了,則將"point對象"打散並進行標量替換,
    int x = 1;
    int y = 2;
    System.out.println("point.x:" + x + ",point.y:" + y);
好處:
· 如果對象中定義的所有變量有的並沒有被用到,"標量替換"可以節省內存
· 執行時,不需要尋找對象引用,速度會快
5.2、棧上分配
含義:確定一個方法的變量不會逃逸出當前方法之外(即該變量不會被其他方法引用),則該變量可以直接分配在棧上,隨方法執行結束,棧幀消失,該變量也消失,減輕GC壓力。
好處:
· 執行時,不需要根據對象引用去堆中找對象,速度會快
· 分配在棧上,隨方法執行結束,棧幀消失,該變量也消失,減輕GC壓力。
· 使用棧上分配,必須開啓標量替換
5.3、同步削除
含義:確定一個方法的變量不會逃逸出當前線程之外(即該變量不會被其他線程使用),則對於該變量的同步策略就消除掉,如下,
    synchronized(cat){
        //do xxx
    }
若cat不會逃逸出當前線程,則同步塊可以去掉,如下,
//do xxx
總結:
解釋器:
· 程序啓動速度比編譯快
· 節省內存(不需要編譯,所以不需要放置編譯後的機器碼)
JIT編譯器:
· 時間長了,對於"熱點代碼"的執行會快
注意:
· 使用JIT而不是使用在編譯期直接編譯成機器碼,除了解釋器部分的兩條有點外,還爲了在運行期收集數據,有目的的進行編譯

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