Java程序最初是通过解释器进行解释执行的,当虚拟机发现某个方法或代码块运行的特别频繁时,会把这些代码认定为“热点代码”(Hot Spot Code)。为了提高热点代码的执行效率,在运行时,虚拟机会把这些代码编译成本地平台相关的机器码,并进行各种层次的优化,完成这个任务的编译器称为即时编译器(JIT编译器,不是Java虚拟机内必须的部分)。
要了解HotSpot虚拟机内的即时编译器的运作过程,要解决几个问题:
- 为何HotSpot虚拟机要使用解释器和编译器并存的架构?
- 为何HotSpot虚拟机要实现两个不同的即时编译器?
- 程序何时使用解释器执行?何时使用编译器执行?
- 哪些程序代码会被编译成本地代码?如何编译?
- 如何从外部观察即时编译器的编译过程和编译结果?
0.1.解释器和编译器:
直接执行)
目标代码,执行时不再需要编译器,直接在支持目标代码的平台上运行,这样执行效率比解释执行快很多。比如C语言代码被编译成二进制代码(exe程序),在windows平台上执行。
当程序需要快速启动和执行的时候,解释器可以首先发挥作用,省去编译的时间,立即执行。在程序运行后,随着时间的推移,编译器逐渐发挥作用,越来越多的代码被编译成本地代码,可以获取更好的执行效率。解释器比较节约内存,编译器的效率比较高。解释器还可以作为编译器激进优化操作的“逃生门”,当激进优化的假设不成立,就退回到解释状态继续执行。
0.2 为何HotSpot虚拟机要实现两个不同的即时编译器:
用C1获取更高的编译速度,C2获取更好的编译质量:
- 第0层,程序解释执行,解释器不开启性能监视功能(Profiling),可触发第1层编译。
- 第1层,也称为C1编译,将字节码编译成本地代码,进行简单、可靠的优化,若有必要将加入性能监控的逻辑。
- 第2层,也称为C2编译,也是将字节码编译成为本地代码,但是会启动一些编译耗时较长的优化,甚至会根据性能监控进行一些不可靠的激进优化。
0.3
编译对象和触发条件
在运行过程中被即时编译器编译的“热点代码”有两类,即:
- 被多次调用的方法
- 被多次执行的循环体
对第一种情况,由于是方法调用触发的编译,因此编译器会以整个方法作为编译对象,即标准的JIT编译方式。后一种,虽然是循环体触发的编译动作,但编译器依然按照整个方法(而不是单独的循环体)作为编译对象。这种编译方式称为栈上替换(On Stack Replacement,简称为OSR编译)。
判断一段代码是不是热点代码,是不是需要触发即时编译,这样的行为称为热点探测(Hot Spot Detection),目前有两种方法:
- 基于采样的热点探测:采用这样的方法的虚拟机会周期性的检查各个线程的栈顶,如果发现某个(或某些)方法经常出现在栈顶,那这个方法就是“热点方法”。其好处就是实现简单、高效,还可以很容易的获取方法调用关系(将调用栈展开即可),缺点是很难精确的确认一个方法的热度,容易因为受到线程阻塞或别的外界因素的影响。
- 基于计数器的热点探测:为每一个方法(甚至是代码块)建立计数器,统计方法的执行次数,超过一定的阈值就认为是“热点方法”。缺点是实现起来更麻烦,需要为每个方法建立并维护计数器,并且不能直接获取到方法的调用关系,优点是它的统计结果相对来说更加精确和严谨。
HotSpot虚拟机使用第二种,它为每个方法准备了两类计数器:方法调用计数器(Invocation Counter)和回边计数器(Back Edge Counter,用于统计一个方法中循环体代码执行的次数)。