脚踏实地

概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一，属于JVM的下层，里面包括 解释器、及时编译器、垃圾回收器。

“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。 那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎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。

所有的Java虚拟机的执行引擎输入，输出都是一致的，即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，输出的是执行过程。

工作流程

执行引擎负责将字节码指令翻译为cpu执行的命令。在执行过程中究竟执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器，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。 当然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。

执行过程

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，都需要经过图中的各个步骤：

1. 前面橙色部分是生成字节码文件的过程，和JVM无关；
2. 后面蓝色和绿色才是JVM需要考虑的过程；

解释器

解释器（Interpreter）：Java虚拟机启动时会根据预定义的规范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。

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。

如今Java采用的是解释和编译混合的模式，JVM在执行Java代码的时候，会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。

执行引擎获取到，由javac将源码编译成字节码文件.class之后，然后在运行的时候通过解释器interpreter转换成最终的机器码。 另外JVM平台支持一种叫作即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行，它将整个函数体编译成为机器码，这种方式可以使执行效率大幅度提升。

为什么说Java是半解释半编译型语言？

最初的Java语言只有解释器，所以定位为“解释执行”还是比较准确的，即先编译成字节码，再对字节码逐行用解释器解释执行。 后来Java也发展出来可以直接生成本地代码的编译器，即JVM执行引擎中解释器和即时编译器共存的，所以叫做半解释半编译型。

即时编译器

即时编译器（Just In Time Compiler），就是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。

由于解释器在设计和实现上非常简单，因此除了Java语言之外，还有许多高级语言同样也是基于解释器执行的，比如Python、 Perl、Ruby等。 但是在今天，基于解释器执行已经沦落为低效的代名词，并且时常被一些C/C+ +程序员所调侃。

为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫作即时编译的技术。 即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译成为机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度提升。 不过无论如何，基于解释器的执行模式仍然为中间语言的发展做出了不可磨灭的贡献。

既然即时编译器执行效率比解释器执行效率高，那为什么还需要再使用解释器？

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。（解释器响应速度比即时编译器速度快）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，即时编译器执行效率高。

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，把越来越多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”。

JRockit虚拟机是砍掉了解释器，也就是只使用即时编译器。 那是因为 JRockit 只部署在服务器上，一般已经有时间让他进行指令编译的过程了，对于响应来说要求不高，等及时编译器的编译完成后，就会提供更好的性能. 尽管 JRockit VM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。

即使编译器分类

JIT的编译器还分为了两种，分别是C1和C2，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式指定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。

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：对唯一的实现樊进行内联；
• 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对象在栈而不是堆；
• 同步消除：清除同步操作，通常指synchronized；

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。 总的来说，C2编译器启动时长比C1慢，系统稳定执行以后，C2编译器执行速度远快于C1编译器

热点探测技术

关于编译器可大致分为两种：

• 前端编译器：把 .java 文件转变成 .class 文件；
• 后端编译器：把 .class 文件转变为 机器指令；

是否需要启动即时编译器将字节码转换为机器指令，则需要根据代码的调用频率而定。 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”，即时编译器在运行时会针对那些被频繁调用的热点代码做出深度优化，将其直接编译为本地的机器指令，以此来提升程序的性能。 由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此被称之为栈上替换，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，HotSpot 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和回边计数器。

• 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

这个计数器就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，就会触发即时编译。 这个阈值可以通过虚拟机参数 -XX:CompileThreshold 来设定。

当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被即时编译器编译过的版本，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阀值； 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；否则就通过解释器执行。

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）。 跟方法调用计数器搭配使用，如何两者相加总和超过计数器的阀值，那么就会除法即时编译器。 显然，建立回边计数器统计的目的就是为了触发栈上替换编译。

热点衰减

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，可理解为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，而这段时间就称为此方法统计的半衰周期。 可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

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。

解释器编译器切换

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执行，还是完全采用即时编译器执行。

• -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+即时编译器的混合模式共同执行程序。

静态提前编译器

JDK9 引入了静态提前编译器（Ahead of Time Compiler）。 Java 9引入了实验性AOT编译工具AOTC。它借助了Graal编译器，将所输入的Java类文件转换为机器码，并存放至生成的动态共享库之中。

静态提前编译器:，是直接把.java文件编译成机器指令。大致过程：.java -> .class -> (使用jaotc) -> .so。

所谓AOT编译，是与即时编译相对立的一个概念。即时编译指的是在程序的运行过程中，将字节码转换为可在硬件上直接运行的机器码，并部署至托管环境中的过程。 而AOT编译指的则是，在程序运行之前，便将字节码转换为机器码的过程。

优点：

• Java虚拟机加载已经预编译成二进制库，可以直接执行。不必等待及时编译器的预热，减少Java应用给人带来“第一次运行慢” 的不良体验；

缺点：

• 破坏了 java “ 一次编译，到处运行”，必须为每个不同的硬件，OS编译对应的发行包；
• 降低了Java链接过程的动态性，加载的代码在编译器就必须全部已知；
• 还需要继续优化中，最初只支持Linux X64 java base；

Graal编译器

自JDK10起，HotSpot又加入了一个全新的及时编译器：Graal编译器，编译效果短短几年时间就追评了G2编译器，未来可期。

特点：

• 高效能运行 Java： 使用 GraalVM 执行 Java 程序可以变得更快；
• 多语言并行：可以在 Java 里面同时使用多种语言，像是 JavaScript等；
• 快速启动：直接把 Java 应用编译成机器码，执行起来体积更小、启动速度更快；

计算机指令演变过程

二进制编码  -->  指令、指令集  -->  汇编语言  -->  高级语言  -->  ？ 

用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。最开始人们就用它采编写程序，这就是机器语言。 机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，并且用它编程容易出差错。

由于机器码是有0和1组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。 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（一般为英文简写，如mov，inc等），可读性稍好。 不同的硬件平台，各自支持的指令，是有差别的。因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集。

由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。 由于计算机只认识指令码，所以用汇编语言编写的程序还必须翻译成机器指令码，计算机才能识别和执行。

为了使计算机用户编程序更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。 高级语言比机器语言、汇编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。

高级语言也不是直接翻译成机器指令，而是翻译成汇编语言，在由汇编语言翻译成机器指令。当然也可以先翻译为字节码，在由字节码翻译为机器指令。

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。 它的实现方式为，将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。