18-执行引擎

作者: 紫荆秋雪_文 | 来源:发表于2021-05-18 23:11 被阅读0次

一、执行引擎概述

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 $\color{#DC143C}{物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的}$ ，而 $\color{#DC143C}{虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的}$ ，因此可以不受物理条件制约地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集格式。
JVM的主要任务是负责 $\color{#DC143C}{装载字节码到其内部}$ ，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 $\color{#DC143C}{字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器码指令才可以}$ 。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
- 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
- 方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在 $\color{#DC143C}{局部变量表中对象引用准备定位到存储在Java堆区中的对象实例信息}$ ，以及通过 $\color{#DC143C}{对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息}$
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二、Java代码编译和执行的过程

Java代码编译和执行的过程.png

Java代码编译是由 Java源码编译器来完成

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Java字节码的执行是由 JVM 执行引擎来完成

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解释器（Interpreter）：当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范 $\color{#DC143C}{对字节码采用逐行解释的方式执行}$ ，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：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

三、机器码、指令、汇编语言

机器码：各种用二进制编码方式表示的指令。机器指令与CPU紧密相关，不同的CPU所对应的机器指令也不相同
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，可读性会稍好。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，所以不同的硬件平台的同一种指令（如：mov），对应的机器码也可能不同
指令集：不同的硬件平台，各自支持的指令是不同的。因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集
汇编语言：由于指令的可读性太差，于是发明了汇编语言。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
高级语言：为了使计算机用户编程更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。高级语言更接近人的语言。
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和编译程序。
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
- 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

四、解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地 $\color{#DC143C}{为了满足 Java 程序实现跨平台特性}$ ，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
- 字节码解释器：在执行时通过 $\color{#DC143C}{纯软件代码}$ 模拟字节码的执行，效率非常低下
- 模板解释器：将 $\color{#DC143C}{每一条字节码和一个模板函数}$ 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
- HotSpot VM 中，解释器主要由 Interpreter 模块和 Code 模块组成。
  - Interpreter模块：实现了解释器的核心功能
  - Code模块：用于管理HotSpot VM 在运行时生成的本地机器指令

五、JTI编译器

Java代码的执行分类

第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过 $\color{#DC143C}{ 解释器 }$ 将字节码文件转为机器码执行
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。

HotSpot VM 的执行方式

当虚拟机启动的时候， $\color{#DC143C}{ 解释器可以首先发挥作用 }$ ，而不必等待 $\color{#DC143C}{ 即时编译器全部编译完成再执行 }$ ，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 $\color{#DC143C}{热点探测功能}$ ，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。

热点代码及探测方式

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 $\color{#DC143C}{ 执行的频率}$ 而定。而那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称为 $\color{#DC143C}{ 热点代码}$ ，JIT编译器在运行时会针对那些频繁被调用的 $\color{#DC143C}{ 热点代码}$ 做出 $\color{#DC143C}{ 深度优化}$ ，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
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为 $\color{#DC143C}{ 热点代码}$ ，一个方法被调用多少次才能成为 $\color{#DC143C}{ 热点代码}$ ，必然需要一个明确的阈值，这里主要依靠 $\color{#DC143C}{ 热点探测功能}$
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。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）。其中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

它的阈值在 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
这个阈值可以设置

-XX:CompileThreshold

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，则将此方法调用计数器值+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。如果已经超过阈值，那么就会想即时编译器提交一个该方法的代码编译请求

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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，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-XX:-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
使用 -XX:CounterHalfLifeTime 参数设置半衰周期的时间，单位为秒

回边计数器

它的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

HotSpot VM 设置程序执行方式

缺省情况下HotSpot VM是采用解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员可以根据具体的应用场景，通过指令显示地为 Java 虚拟机指定在运行时到底是完全采用 $\color{#DC143C}{ 解释器}$ 执行，还是完全采用 $\color{#DC143C}{ 即时编译器 }$ 执行

完全采用解释器模式执行程序

-Xint:

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

-Xcomp:

采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序

-Xmixed:

HotSpot VM中JIT分类

在HotSpot VM中内嵌有两个JIT编译器，分别为 Client Compiler 和 Server Compiler，但大多数情况下我们简称为C1编译器和C2编译器。开发人员可以通过如下命令显示指定 Java 虚拟机在运行时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进行耗时较长的优化，以及激进优化。但优化的代码执行效率更高
分层编译（Tiered Compilation）策略：程序解释执行（不开启性能监控）可以出发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
Java7版本之后，默认开启分层编译策略

C1和C2编译器不同的优化策略

C1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
C2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上有如下优化
- 标量替换：用标量值替换聚合对象的属性值
- 栈上分配：对于未逃逸的对象分配对象在栈而不是堆
- 同步消除：清除同步操作，通常值synchronized