柚子快報激活碼778899分享：java JVM之【執(zhí)行引擎】

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執(zhí)行引擎

執(zhí)行引擎是JVM的核心組件之一，它負責將Java字節(jié)碼文件轉換為機器指令并執(zhí)行。這一過程涉及多個組成部分，各部分協(xié)同工作來完成字節(jié)碼到機器指令的轉換和執(zhí)行。以下是執(zhí)行引擎的主要組成部分及其作用：

1. 解釋器（Interpreter）

作用：逐行讀取并執(zhí)行字節(jié)碼。

工作原理：

解釋器讀取程序計數器（PC）指定的字節(jié)碼指令。將字節(jié)碼指令翻譯成相應的機器碼指令，并立即執(zhí)行。執(zhí)行完一條指令后，更新程序計數器以指向下一條字節(jié)碼指令。

解釋器的優(yōu)點是啟動速度快，缺點是執(zhí)行效率較低，因為每次都需要逐行翻譯字節(jié)碼。

2. 即時編譯器（JIT Compiler）

作用：將字節(jié)碼編譯成高效的本地機器碼，提高執(zhí)行效率。

工作原理：

當某些方法或代碼段被多次執(zhí)行時，JIT編譯器將這些熱點代碼（HotSpot Code）編譯成本地機器碼。編譯后的本地代碼被緩存起來，以便后續(xù)直接執(zhí)行，無需再次解釋。JIT編譯器還會進行各種優(yōu)化，例如方法內聯(lián)（Inlining）、循環(huán)展開（Loop Unrolling）等，以進一步提高執(zhí)行性能。

3. 垃圾回收器（Garbage Collector）

作用：管理內存，自動回收不再使用的對象，防止內存泄漏。

工作原理：

在程序運行期間，垃圾回收器不斷地監(jiān)視對象的生命周期。當檢測到某些對象不再被引用時，回收這些對象所占用的內存。垃圾回收策略和算法有多種，如標記-清除（Mark-Sweep）、復制算法（Copying）、標記-整理（Mark-Compact）等。

4. 本地接口（Native Interface）

作用：允許Java代碼調用本地代碼（通常是C或C++編寫的庫）。

工作原理：

通過Java本地接口（JNI），Java程序可以調用本地方法。本地方法被編譯成機器碼并直接在宿主機上執(zhí)行。這部分主要用于與平臺相關的功能或性能優(yōu)化。

字節(jié)碼到機器指令的轉換過程

加載和解析：

類加載器（Class Loader）加載.class文件，將字節(jié)碼加載到內存中，形成Class對象。JVM對字節(jié)碼進行驗證，確保其符合JVM規(guī)范，避免非法指令和安全風險。 解釋執(zhí)行：

解釋器逐行讀取字節(jié)碼指令，將其轉換為對應的機器碼并立即執(zhí)行。每執(zhí)行一條指令后，更新程序計數器以指向下一條指令。 JIT編譯和優(yōu)化：

當某段代碼被多次執(zhí)行時，JIT編譯器將其標記為熱點代碼。JIT編譯器將熱點代碼編譯為本地機器碼，并進行各種優(yōu)化以提高執(zhí)行效率。編譯后的本地代碼被緩存起來，后續(xù)執(zhí)行時可以直接調用，不再需要解釋。

通過解釋器和JIT編譯器的協(xié)同工作，JVM能夠在初次啟動時快速執(zhí)行代碼，并在運行過程中逐步優(yōu)化性能，實現(xiàn)高效的執(zhí)行。

什么是字節(jié)碼文件

Java源代碼文件

程序員編寫的就是Java源代碼文件。

字節(jié)碼文件

字節(jié)碼文件是Java編譯器（例如javac）將Java源代碼編譯后生成的文件。字節(jié)碼是一種中間表示形式，它是一種針對Java虛擬機（JVM）設計的機器獨立的代碼。字節(jié)碼文件包含了JVM能夠理解和執(zhí)行的指令。

字節(jié)碼文件的生成過程

以下是字節(jié)碼文件從Java源代碼生成的過程：

編寫Java源代碼：程序員編寫Java源代碼文件，這些文件通常以.java擴展名結尾。 例如，一個簡單的Java源文件 HelloWorld.java： public class HelloWorld {

public static void main(String[] args) {

System.out.println("Hello, World!");

}

}

編譯Java源代碼：使用Java編譯器（例如，javac）將Java源代碼文件編譯成字節(jié)碼文件。編譯器會將源代碼中的每個Java類編譯成一個獨立的字節(jié)碼文件，文件名與類名相同，擴展名為.class。 編譯命令： javac HelloWorld.java

這條命令會生成一個字節(jié)碼文件 HelloWorld.class。 執(zhí)行字節(jié)碼文件：生成的字節(jié)碼文件可以由JVM執(zhí)行。JVM讀取.class文件中的字節(jié)碼指令，并通過解釋或即時編譯（JIT）將其轉換為特定平臺的機器碼，然后執(zhí)行。 執(zhí)行命令： java HelloWorld

JVM會加載 HelloWorld.class 文件，解釋并執(zhí)行其中的字節(jié)碼指令，輸出： Hello, World!

總結

Java源代碼文件：由程序員編寫，擴展名為 .java。字節(jié)碼文件：由Java編譯器生成，包含JVM能夠理解和執(zhí)行的指令，擴展名為 .class。

深入理解【解釋器】和【編譯器】

JVM中的解釋器與即時編譯器

HotSpot是當前高性能虛擬機的代表作之一，它采用了解釋器與即時編譯器（JIT）并存的架構。這種設計允許解釋器和JIT編譯器在Java虛擬機運行時相互協(xié)作，各自取長補短，選擇最合適的方式來平衡編譯本地代碼的時間和直接解釋執(zhí)行代碼的時間。

為什么需要解釋器和JIT編譯器并存？

盡管有些開發(fā)人員可能會詫異，既然HotSpot中已經內置了JIT編譯器，為什么還需要解釋器這種看似“拖累”程序執(zhí)行性能的組件？例如，JRockit虛擬機內部就不包含解釋器，所有字節(jié)碼都依靠JIT編譯器編譯后執(zhí)行。

優(yōu)勢與劣勢

解釋器的優(yōu)勢：

快速啟動：當程序啟動后，解釋器可以立即發(fā)揮作用，省去編譯時間，立即執(zhí)行。這對于那些對啟動時間有嚴格要求的應用場景非常重要。作為“逃生門”：在編譯器進行激進優(yōu)化時，如果優(yōu)化不成立，解釋器可以作為編譯器的“逃生門”，確保程序繼續(xù)運行。 即時編譯器的優(yōu)勢：

高執(zhí)行效率：JIT編譯器將熱點代碼（頻繁執(zhí)行的代碼段）編譯成高效的本地機器碼，優(yōu)化后執(zhí)行效率極高。長時間運行優(yōu)化：隨著程序運行時間的推移，JIT編譯器逐漸發(fā)揮作用，根據熱點探測功能，將有價值的字節(jié)碼編譯為本地機器指令，以換取更高的程序執(zhí)行效率。

啟動時間與運行效率的平衡

雖然JRockit中的程序執(zhí)行效率很高，但由于其不包含解釋器，程序啟動時需要花費更多時間進行編譯。對于服務端應用來說，啟動時間并非關注重點，JRockit的架構可以提供較高的執(zhí)行效率。但對于那些看重啟動時間的應用場景（如桌面應用或某些實時響應系統(tǒng)），解釋器與JIT編譯器并存的架構則更為合適。

運行時的動態(tài)優(yōu)化

在HotSpot虛擬機中，當Java虛擬機啟動時，解釋器首先發(fā)揮作用，快速啟動并執(zhí)行程序。隨著時間推移，JIT編譯器逐漸識別出熱點代碼，并將其編譯為本地機器碼。這樣，程序可以在初期快速啟動，并在后期逐漸優(yōu)化執(zhí)行效率。

實際應用中的注意事項

在實際應用中，解釋執(zhí)行與編譯執(zhí)行之間存在微妙的辯證關系。例如，系統(tǒng)在熱機狀態(tài)下可以承受的負載要大于冷機狀態(tài)。如果在熱機狀態(tài)時進行流量切換，可能會使處于冷機狀態(tài)的服務器因無法承載流量而假死。因此，理解和調節(jié)解釋器與JIT編譯器的工作方式，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能優(yōu)化至關重要。

總結

HotSpot虛擬機采用解釋器與即時編譯器并存的架構，結合了快速啟動和高效執(zhí)行的優(yōu)勢。在Java虛擬機運行過程中，解釋器和JIT編譯器相互協(xié)作，動態(tài)調整執(zhí)行策略，以提供最佳的性能和響應時間。這種設計不僅提升了應用程序的啟動速度，還通過JIT編譯器的動態(tài)優(yōu)化，實現(xiàn)了長時間運行下的高效執(zhí)行。

JIT如何定位熱點代碼

JVM中的即時編譯器（JIT Compiler）通過定位熱點代碼來優(yōu)化程序執(zhí)行。熱點代碼是指那些被頻繁執(zhí)行的代碼段。定位熱點代碼的過程依賴于JVM的性能監(jiān)控和分析機制，通常被稱為熱點探測（HotSpot Detection）。以下是JVM實時編譯器定位熱點代碼的具體流程：

熱點代碼的定位

計數器機制：

方法調用計數器：主要用于統(tǒng)計方法的調用次數。每次方法被調用時，JVM會增加該方法的調用計數。當調用計數超過特定閾值時，該方法被標記為熱點方法。回邊計數器：主要用于統(tǒng)計循環(huán)體執(zhí)行的次數。每次代碼塊中的循環(huán)回邊被執(zhí)行時，JVM會增加相應的回邊計數。當回邊計數超過特定閾值時，該代碼塊被標記為熱點代碼。 性能監(jiān)控：

JVM內部維護了多個性能監(jiān)控計數器，這些計數器跟蹤方法調用次數、循環(huán)執(zhí)行次數、異常拋出次數等。當某個方法或代碼塊的計數器值超過預定的閾值時，JVM認為它是熱點代碼，觸發(fā)即時編譯器進行優(yōu)化。

熱點探測的具體流程

初始化計數器：

JVM啟動時，為每個方法和重要代碼塊（如循環(huán)）初始化計數器。 計數器更新：

每當方法被調用或循環(huán)被執(zhí)行，JVM會相應地更新這些計數器。 閾值判斷：

JVM中設有特定的閾值（可以通過參數調整），例如一個方法調用計數達到某個值或循環(huán)執(zhí)行計數達到某個值時，認為該方法或循環(huán)是熱點代碼。 觸發(fā)JIT編譯：

一旦計數器超過閾值，JVM將該方法或代碼塊提交給JIT編譯器進行編譯。JIT編譯器將熱點代碼編譯為本地機器碼，并進行一系列的優(yōu)化（如內聯(lián)、循環(huán)展開等），以提高執(zhí)行效率。 編譯和替換：

JIT編譯器將熱點代碼編譯為本地機器碼，并替換原來的字節(jié)碼。后續(xù)的執(zhí)行直接調用編譯后的本地代碼，提高運行效率。

優(yōu)化示例

方法內聯(lián)：將頻繁調用的小方法直接內聯(lián)到調用它的方法中，減少方法調用開銷。循環(huán)展開：對頻繁執(zhí)行的小循環(huán)進行展開，減少循環(huán)控制的開銷。逃逸分析：確定對象是否逃逸出方法范圍，如果沒有逃逸，可以進行棧上分配而不是堆上分配，提高內存管理效率。

JVM參數配置

可以通過JVM參數來調整JIT編譯的行為和閾值：

-XX:CompileThreshold=N：設置方法調用計數的閾值，超過此值的方法將被編譯。-XX:OnStackReplacePercentage=N：設置循環(huán)回邊的閾值，超過此值的循環(huán)將被編譯。

總結

通過計數器機制和性能監(jiān)控，JVM實時編譯器能夠有效地定位熱點代碼。通過對熱點代碼進行編譯和優(yōu)化，JVM在不影響啟動時間的前提下，顯著提高了長時間運行的Java應用程序的執(zhí)行效率。

熱點代碼的熱度衰減

在HotSpot的JIT編譯器中，熱點代碼的熱度衰減（Hot Code Deoptimization or Hot Code Cooling）是指隨著時間推移，對某些被頻繁執(zhí)行的代碼段減少其“熱度”的過程。熱度衰減的主要目的是動態(tài)地調整和優(yōu)化JIT編譯過程，以應對程序執(zhí)行時的變化。具體來說，它避免了不再頻繁執(zhí)行的代碼段繼續(xù)被標記為熱點代碼，從而使JIT編譯器能夠更有效地分配資源給真正的熱點代碼。

熱點代碼的熱度衰減機制

熱度衰減的機制通過對方法和代碼塊的執(zhí)行計數進行調整來實現(xiàn)。這通常涉及以下步驟：

計數器遞減：定期地，對所有方法和循環(huán)回邊的計數器進行遞減操作。這可以通過一種稱為“減半”的技術來實現(xiàn)，即定期將計數器的值減半。 時間窗口：引入時間窗口的概念，使得計數器值不僅僅反映歷史總執(zhí)行次數，還反映最近一段時間內的執(zhí)行頻率。這樣可以更動態(tài)地反映當前的熱點情況。 重新評估熱點代碼：在計數器值遞減之后，重新評估哪些代碼仍然是熱點代碼。那些計數器值較低的代碼段會逐漸失去其熱點狀態(tài)，而計數器值較高的代碼段會被繼續(xù)視為熱點代碼。

熱度衰減的目的和優(yōu)勢

動態(tài)調整：程序的執(zhí)行模式可能會隨著時間而變化。某些代碼段在程序啟動時可能被頻繁執(zhí)行，但在后續(xù)運行中執(zhí)行頻率降低。熱度衰減機制能夠動態(tài)調整JIT編譯器的優(yōu)化策略，確保資源分配更加合理。 資源節(jié)約：通過熱度衰減機制，JIT編譯器可以避免不必要的編譯開銷。只對真正需要優(yōu)化的代碼段進行編譯和優(yōu)化，減少資源浪費。 提高性能：熱度衰減機制確保JIT編譯器能夠及時識別和優(yōu)化新的熱點代碼，從而提高程序的整體性能。

具體實現(xiàn)

熱度衰減在具體實現(xiàn)中可能涉及以下技術：

周期性遞減：JVM內部有一個定時器，定期遍歷所有方法和循環(huán)的計數器，將其值遞減。這樣可以防止某些代碼段因歷史調用頻繁而一直保持高計數。 閾值調整：根據熱度衰減的結果，動態(tài)調整JIT編譯的閾值。例如，如果某個方法的調用計數在遞減后仍然較高，則可能需要進行更高級別的優(yōu)化。 編譯策略調整：結合熱度衰減的結果，JIT編譯器可以決定是否降級某些已經編譯的代碼段。例如，如果某段代碼在熱度衰減后不再是熱點，可以將其編譯級別降低，以減少編譯后的維護開銷。

總結

在HotSpot的JIT編譯器中，熱度衰減機制通過定期遞減方法和循環(huán)回邊的執(zhí)行計數，動態(tài)調整和優(yōu)化JIT編譯過程。這樣可以確保JIT編譯器將資源集中在當前真正的熱點代碼上，提高資源利用效率和程序性能。這種動態(tài)調整機制使得JVM能夠更好地適應程序執(zhí)行時的變化，提供更高效和智能的即時編譯服務。

HotSpot JVM中內嵌的兩種即時編譯器

在Java虛擬機（JVM）中，C1編譯器和C2編譯器是兩種即時編譯器（Just-In-Time Compiler），用于將Java字節(jié)碼編譯為高效的本地機器碼。這兩種編譯器各自有不同的優(yōu)化策略和適用場景。以下是對C1編譯器和C2編譯器的詳細描述，包括它們的區(qū)別、優(yōu)劣以及各自的優(yōu)化策略。

C1編譯器

C1編譯器，也稱為客戶端編譯器（Client Compiler），適用于需要快速啟動和響應的應用程序。C1編譯器的主要特點和優(yōu)化策略包括：

特點

快速編譯：C1編譯器注重快速編譯，編譯時間較短，生成的機器碼相對簡單。輕量級優(yōu)化：進行一些基本的優(yōu)化，但不會進行復雜的、高度耗時的優(yōu)化。適用于客戶端應用：適合于需要快速啟動和響應的應用，如桌面應用或移動應用。

優(yōu)化策略

方法內聯(lián)（Method Inlining）：將小方法的調用直接內聯(lián)到調用方法中，減少棧幀的生成，減少參數傳遞及跳轉過程。常量傳播（Constant Propagation）：將已知的常量值在編譯時傳播到代碼中，減少運行時計算。死代碼消除（Dead Code Elimination）：移除不會被執(zhí)行的代碼，減少不必要的指令。基本塊優(yōu)化（Basic Block Optimization）：優(yōu)化局部代碼塊，提高執(zhí)行效率。

C2編譯器

C2編譯器，也稱為服務端編譯器（Server Compiler），適用于長時間運行的服務端應用。C2編譯器的主要特點和優(yōu)化策略包括：

特點

高級優(yōu)化：C2編譯器進行復雜的、高度耗時的優(yōu)化，生成高度優(yōu)化的機器碼。適用于服務端應用：適合于需要高執(zhí)行效率和長時間運行的應用，如服務器應用和后臺服務。延遲編譯：在應用運行一段時間后才開始編譯熱點代碼，以獲得足夠的運行時信息進行優(yōu)化。

優(yōu)化策略

全局優(yōu)化（Global Optimization）：在整個程序范圍內進行優(yōu)化，而不僅限于局部代碼塊。循環(huán)優(yōu)化（Loop Optimization）：如循環(huán)展開（Loop Unrolling）和循環(huán)變換（Loop Transformation），提高循環(huán)執(zhí)行效率。逃逸分析/棧上分配（Escape Analysis）：確定對象是否逃逸出方法范圍，如果沒有逃逸，可以進行棧上分配，提高內存管理效率。分支預測（Branch Prediction）：通過統(tǒng)計信息預測分支的執(zhí)行路徑，優(yōu)化分支指令的執(zhí)行。寄存器分配（Register Allocation）：優(yōu)化寄存器使用，減少內存訪問，提高執(zhí)行速度。標量替換同步消除

C1和C2編譯器的區(qū)別與優(yōu)劣

區(qū)別

編譯速度：C1編譯器編譯速度快，適合快速啟動；C2編譯器編譯速度較慢，但生成的代碼執(zhí)行效率更高。優(yōu)化程度：C1編譯器進行基本優(yōu)化；C2編譯器進行高級優(yōu)化，適用于長時間運行的應用。適用場景：C1編譯器適用于客戶端應用；C2編譯器適用于服務端應用。

優(yōu)劣

C1編譯器的優(yōu)點：

快速啟動，適用于需要快速響應的應用。編譯開銷低，對資源要求不高。 C1編譯器的缺點：

優(yōu)化程度有限，生成的代碼執(zhí)行效率較低。 C2編譯器的優(yōu)點：

高度優(yōu)化，生成的代碼執(zhí)行效率高。適用于長時間運行的應用，能夠顯著提高性能。 C2編譯器的缺點：

編譯時間長，啟動速度較慢。編譯開銷高，對資源要求較高。

組合使用

在實際應用中，HotSpot JVM通常會結合使用C1和C2編譯器，這種組合稱為分層編譯（Tiered Compilation）。分層編譯的策略如下：

初始階段：使用解釋器和C1編譯器，快速啟動應用，并對部分代碼進行基本優(yōu)化。運行一段時間后：當JVM收集到足夠的運行時信息后，C2編譯器開始對熱點代碼進行高級優(yōu)化，將其編譯為高效的本地機器碼。

通過分層編譯，JVM能夠在快速啟動和高效執(zhí)行之間取得平衡，提供最佳的運行時性能。

總結

C1編譯器和C2編譯器是JVM中兩個重要的即時編譯器，各自具有不同的優(yōu)化策略和適用場景。C1編譯器適用于需要快速啟動和響應的應用，進行基本優(yōu)化；C2編譯器適用于需要高執(zhí)行效率和長時間運行的應用，進行高級優(yōu)化。通過結合使用C1和C2編譯器，JVM能夠在啟動速度和執(zhí)行效率之間取得最佳平衡。

為什么說Java的效率比C++低？是因為解釋器慢嘛？

Java的效率比C++低，這種說法有一定的道理，但并不僅僅是因為解釋器的存在。更深入理解這一點，需要從以下幾個方面來考慮：

解釋器 vs. 編譯器

解釋器：

Java在最初運行時使用解釋器逐行解釋字節(jié)碼，這確實比C++編譯后的本地機器碼執(zhí)行要慢。這是因為解釋器需要將每一條字節(jié)碼翻譯成機器碼再執(zhí)行，而C++程序在編譯后直接生成高效的本地機器碼，可以直接在CPU上運行。 即時編譯器（JIT Compiler）：

Java通過HotSpot JVM中的即時編譯器（JIT）來優(yōu)化執(zhí)行效率。JIT編譯器會將熱點代碼編譯成高效的本地機器碼，從而提升性能。盡管JIT編譯能夠顯著提高Java程序的執(zhí)行效率，但在某些場景下，JIT編譯的開銷和優(yōu)化效果可能仍然無法完全達到C++預編譯的效果。 C++的靜態(tài)編譯：

C++程序在編譯階段將所有代碼編譯成高效的本地機器碼，這個過程中可以進行各種高級優(yōu)化（如內聯(lián)函數、循環(huán)展開、寄存器分配等）。因此，C++程序的運行效率通常會更高。

Java是“半執(zhí)行”語言的理解

Java被稱為“半執(zhí)行”語言，主要是指其混合了解釋執(zhí)行和編譯執(zhí)行的特點：

字節(jié)碼解釋執(zhí)行：

Java源代碼被編譯成字節(jié)碼（.class文件），這是一種中間表示形式。字節(jié)碼可以跨平臺執(zhí)行，但初始執(zhí)行時通過解釋器逐行翻譯成機器碼。 即時編譯執(zhí)行：

在運行過程中，JIT編譯器將熱點代碼編譯成本地機器碼，這部分代碼的執(zhí)行效率與C++相當甚至更高，因為JIT編譯可以利用運行時信息進行優(yōu)化。 跨平臺特性：

Java程序編譯成字節(jié)碼后，可以在任何安裝了Java虛擬機的環(huán)境中運行，具備良好的跨平臺能力，而C++程序需要為每個目標平臺進行重新編譯。

性能差異的根本原因

解釋器只是導致Java比C++效率低的一個因素，其他原因還包括：

內存管理：

Java使用自動垃圾回收機制（Garbage Collection, GC），雖然簡化了內存管理，但在某些情況下會引入額外的開銷。而C++允許手動管理內存，可以通過更精細的控制來優(yōu)化性能。 語言特性：

Java的某些語言特性（如反射、動態(tài)類型檢查）可能導致性能開銷。 底層優(yōu)化：

C++允許直接操作指針和進行底層優(yōu)化，這在某些性能敏感的場景下具有優(yōu)勢。

總結

盡管Java的初始執(zhí)行效率可能比C++低，但通過JIT編譯和其他優(yōu)化技術，Java程序在長時間運行的場景中可以達到較高的性能。Java被稱為“半執(zhí)行”語言，是因為其結合了解釋執(zhí)行和即時編譯執(zhí)行的特點，兼顧了跨平臺性和運行效率。在理解和優(yōu)化Java程序性能時，需要綜合考慮JVM的特性和具體應用場景。

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