Java JVM 编译和优化

Java JVM
发布日期:   2021-03-20
更新日期:   2024-10-10
文章字数:   2.2k
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在构建高性能的 Java 应用程序时, 理解 Java 编译和优化的工作原理是至关重要的。
Java 虚拟机（JVM）通过即时编译（Just-In-Time Compilation）将源代码转化为机器可执行代码, 并通过一系列优化技术提升应用程序性能。
本文将简单地研究 Java 编译的各个阶段, 探讨不同优化技术的实际效果, 并为开发者提供实用的指导, 以确保他们能够最大限度地发挥 Java 在性能方面的优势。

1 前端编译

在 Java 技术下, “编译期” 是一个比较含糊的表述, 因为它可能指的是

  1. 前端编译器 (“编译器的前端” 更准确一些) 把 *.java 文件转变成 *.class 文件的过程
  2. Java 虚拟机的即时编译器 (常称 JIT 编译器, Just In Time Compiler) 运行期把字节码转变成本地机器码的过程
  3. 使用静态的提前编译器 (常称 AOT 编译器, Ahead Of Time Compiler) 直接把程序编译成与目标机器指令集相关的二进制代码的过程

这三者的代表性编译器产品

  1. 前端编译器: JDK 的 Javac, Eclipse JDT 中的增量式编译器 (ECJ)
  2. 即时编译器: HotSpot 虚拟机的 C1, C2 编译器, Graal 编译器
  3. 提前编译器: JKD 的 Jaotc, GNU Compiler for the Java (GCJ), Excelsior JET

这 3 类过程中最符合普通程序员对 Java 程序编译认知的应该是第一类。下面讨论的基本都限制在第一种情况。

1.1 Javac 源码

在 JDK8 中, Javac 的源码主要存放在 $JAVA_HOME/lib/tools.jar, 拷贝一份到一个地方, 解压后, 依次进入 com/sun/tools/javac, 这里就是源
码的地方。当然最简单的方式就是打开一包编译器, 顺便建立一个 Java 项目, 搜索 com.sun.tools.javac.Main 就可以了。

从 Javac 代码的总体结构来看, 编译过程大致可以分为 1 个准备过程和 3 个处理过程, 它们分别如下所示

  1. 准备过程: 初始化插入式注解处理器
  2. 解析与填充符号表过程, 包括

    2.1 词法, 语法分析。将源代码的字符流转变为标记集合, 构造出抽象语法树
    2.2 填充符号表。产生符号地址和符号信息

  3. 插入式注解处理器的注解处理过程: 插入式注解处理器的执行阶段
  4. 分析与字节码生成过程, 包括

    4.1 标注检查。对语法的静态信息进行检查
    4.2 数据流及控制流分析。对程序动态运行过程进行检查
    4.3 解语法糖。将简化代码编写的语法糖还原为原有的形式
    4.4 字节码生成。将前面各个步骤所生成的信息转化成字节码

上述 3 个处理过程里, 执行插入式注解时又可能会产生新的符号, 如果有新的符号产生, 就必须转回到之前的解析, 填充符号表的过程中重新处理这些新符号。
大体的流程如下:
Alt 'Java 处理器处理过程'

代码的入口: com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler, 后面整个详细的流程省略。

流程:

  1. 词法分析, 源代码的字符流转变为标记 (Token) 集合, 主要由 com.sun.tools.javac.parser.Scanner 实现

  2. 语法分析, 根据标记序列构造抽象语法树, 主要由 com.sun.tools.javac.parser.Parser, 产生的抽象树为 com.sun.tools.javac.tree.JCTree

  3. 填充符号表, 对符号表进行填充, 主要由 com.sun.tools.javac.parser.Enter

  4. 注解处理器, 通过注解处理器, 可以对抽象语法树中的元素进行读取, 修改, 添加, 在处理注解期间对语法树进行过修改, 编译器将回到解析及填充符号表
    的过程重新处理, 直到所有插入式注解处理器都没有再对语法树进行修改为止。插入式注解处理器的初始主要为 com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler.initPorcessAnnotations,
    而执行过程则为 com.sun.tools.javac.main.JavaCompiler.processAnnotions

  5. 语义分析, 是对结构上正确的源程序进行上下文相关性质的检查, 大体可以分为 2 个流程 标注检查 (JavaCompiler.attribute) 和控制流分析 (JavaCompiler.flow)。
    标注检查中, 会对源代码中做一个 “常量折叠 (Constant Folding)” 的优化 (int a = 1 + 4; ==> int a = 5)

  6. 解语法糖, 把语法糖还原回原始的基础语法结构, 由 com.sun.tools.javac.comp.TransTypes 和 com.sun.tools.javac.comp.Lower 完成

  7. 字节码生成, 由 com.sun.tools.javac.jvm.Gen 完成, 把前面各个步骤生成的信息 (语法树, 符号表) 转为字节码, 还会进行少了代码的添加和转换,
    类似于 和 , 将字符串的 + , 替换为 StringBuffer 或者 StringBuilder 的 append 操作

  8. 最终由 com.sun.tools.javac.jvm.ClassWriter 输出字节码, 生成 Class 文件。

2 后端编译

编译器无论在何时, 在何种状态下把 Class 文件转换成与本地基础设施 (硬件指令集, 操作系统) 相关的二进制机器码, 它都可以视为整个编译过程的后端。

2.1 即时编译器

目前主流的两款商用 Java 虚拟机 (HotSpot, OpenJ9) 里, Java 程序最初都是通过解释器 (Interpreter) 进行解释执行的, 当虚拟机发现某个方法或
代码块的运行特别频繁, 就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, 虚拟机将会把这些代码编译成本
地机器码, 并以各种手段尽可能地进行代码优化, 运行时完成这个任务的后端编译器被称为即时编译器。

现在主流的 Java 虚拟机内部都同时包含解释器和编译器, 2 者各有好处。
当程序需要迅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, 立即运行。当程序启动后, 随着时间的推移, 编译器逐渐发挥作用, 把越来
越多的代码编译成本地代码, 这样可以减少解释器的中间损耗, 获得更高的执行效率。
当运行环境的内存资源限制较大时, 使用解释执行可以节约内存, 反之, 可以使用编译执行提高效率。
解释器可以作为编译器激进优化 (不能保证所有情况都正确, 但大多数时候都能提升运行速度的优化) 的后备”逃生门”, 通过逆优化退回到解释状态执行。

HotSpot 虚拟机中内置了两个 (或三个) 即时编译器: 客户端编译器 (Client Compiler, 简称 C1), 服务端编译器 (Service Compiler, 简称 C2),
还有 JDK10 出现的长期目标是替代 C2 的 Graal 编译器。

热点代码

  • 被多次调用的方法
  • 被多次执行的循环体

对于这两种情况, 编译的目标对象都是整个方法体, 而不会是单独的循环体。

HotSpot 采用基于计数器的热点探测 (Counter Based Hot Spot Code Detection) 的方式确定方法是否为 “热点代码”。 虚拟机会为每个方法 (甚至是代码块)
建立计数器, 统计方法的执行次数, 如果执行次数超过一定的阈值就认为它是 “热点方法”。

为了实现热点计数, HotSpot 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, “回边” 的
意思就是指在循环边界往回跳转)。调用计数器 + 回边计数器之和超过了阈值 (客户端模式, 默认为 1500 次, 服务端模式: 10000 次), 就会向即时编译器
提交一个该方法的代码编译请求。

2.2 提前编译器

2 种作法:
一条分支是做与传统 C, C++ 编译器类似的, 在程序运行之前把程序代码编译成机器码的静态翻译工作;
另外一条分支是把原本即时编译器在运行时要做的编译工作提前做好并保存下来, 下次运行到这些代码 (譬如公共库代码在被同一台机器其他 Java 进程使用)
时直接把它加载进来使用

3 参考

《深入理解Java虚拟机》- 周志明

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