java 引擎选型

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Aceryt 2025-01-07 08:15:51

文章标签 java 引擎选型 jvm java 开发语言编译器 文章分类 Java 后端开发

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。虚拟机的执行引擎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。

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。

执行引擎的工作过程

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)当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。

java 引擎选型_java 引擎选型

从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的；输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果。

java 代码编译和执行过程

java 引擎选型_jvm_02

大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过上图中的各个步骤。Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示:

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解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足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。

java 引擎选型_java 引擎选型_04

解释器分类

在Java的发展历史里，一共有两套解释执行器，即古老的字节码解释器、现在普遍使用的模板解释器。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。

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

JIT 编译器

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。

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(JITJust In Time)将方法编译成机器码后再执行。

HotSpotVM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。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。

有些开发人员会感觉到诧异，既然HotSpotVM中已经内置JIT编译器了，那么为什么还需要再使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢?比如JRockitVM内部就不包含解释器字节码全部都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。但编译为本地代码后，执行效率高。所以:尽管JRockitVM中程序的执行性能会非常高效，但程序在启动时必然需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，编译器发挥作用，把越来越名的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率。同时，解释执行在编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”。

Java语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程，因为它可能是指一个前端编译器(其实叫“编译器的前端”更准确一些)把iava文件转变成.class文件的过程;也可能是指虚拟机的后端运行期编译器(JIT 编译器，Just In TimeCompiler)把字节码转变成机器码的过程。还可能是指使用静态提前编译器(AOT 编译器，Ahead Of TimeCompiler)直接把java文件编译成本地机器代码的过程。

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。

解释执行与编译执行在线上环境是微妙的辩证关系。机器在热机状态可以承受的负载要大于冷机状态。如果以热机状态时的流量进行切流，可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。

在生产环境发布过程中，以分批的方式进行发布，根据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数至多占到整个集群的1/8。如果是热机状态，在正常情况下一半的机器可以勉强承载流量，但由于刚启动的JVM均是解释执行，还没有进行热点代码统计和JIT动态编译，导致机器启动之后，当前1/2发布成功的服务器马上全部宕机，此故障说明了JIT的存在。

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，通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器，还是完全采用即时编译器执行。如下所示：

-Xint：完全采用解释器模式执行程序。
-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。
-Xmixed：采用解释器 +即使编译器的混合模式共同执行程序。

public class IntCompTest {
    public static void main(String[] args) {
        long start = System.currentTimeMillis();

        testPrimeNumber(1000000);

        long end = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("花费的时间为：" + (end - start));
    }

    public static void testPrimeNumber(int count) {
        for (int i = 0; i < count; i++) {
            // 计算100以内的质数
            label: for (int j = 0; j <= 100; j++) {
                for (int k = 2; k <= Math.sqrt(j); k++) {
                    if (j % k == 0) {
                        continue label;
                    }
                }
            }
        }
    }
}

纯解释器运行：

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纯编译器运行：

java 引擎选型_开发语言_06

混合模式运行：

java 引擎选型_java 引擎选型_07

HotSpot 中 JIT分类

在 HotSpot VM 中嵌有两个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式指定Java虚拟机在运行时到底是用哪一款即时编译器。

-client：指定 Java虚拟机运行在Client模式下，并使用C1编译器（32-bits）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（64-bits）C2编译器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。

不过在Java7 版本之后，一旦开发人员在程序中显式指定命令 -server 时，默认将会开启分层编译策略，由 C1编译器和 C2编译器相互协作共同来执行编译任务。

C1和C2编译器不同的优化策略

在不同的编译器上有不同的优化策略，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而不是堆
同步消除：清楚同步操作，通常指synchronized

如何选择-热点代码及探测方式

当然是否需要启动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。

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 Stack Replacement)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。

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，HotSpotVM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 EdgeCounter)

方法调用计数器

方法调用计数器用于统计方法被调用的次数，它的默认阈值在 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。这个阈值可以通过虚拟机参数-xx:CompileThreshold来人为设定。

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。

java 引擎选型_开发语言_08

如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法调用的绝对次数，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），而这段时间就成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。另外可以使用 -XX:CounterHalfLifeTime 参数设置半衰周期的时间，单位是秒。