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一、概述
Java程序運行時，JVM會加載.class字節(jié)碼文件，但是字節(jié)碼并不能直接運行在操作系統(tǒng)之上，而JVM中的執(zhí)行引擎就是負責(zé)將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化為對應(yīng)平臺的機器碼讓CPU運行的組件。
執(zhí)行引擎是JVM核心的組成部分之一?？梢园袹VM架構(gòu)分成三部分，如下圖所示：
?執(zhí)行引擎位于JVM的最下層（圖中虛線框部分），可以粗略地看到執(zhí)行引擎負責(zé)和運行時數(shù)據(jù)區(qū)交互。
二、計算機語言的發(fā)展史
在講解執(zhí)行引擎之前，需要知道什么是機器碼、匯編語言、高級語言以及為什么會有Java字節(jié)碼的出現(xiàn)。
2.1 機器碼
各種用 0 和 1 組成的二進制編碼方式表示的指令，叫作機器指令碼，簡稱機器碼。
計算機發(fā)展的初始階段，人們就用機器碼編寫程序，我們也稱為機器語言。機器語言雖然能夠被計算機理解和接受，但由于可讀性差不便于人類讀寫，并且用它編程容易出差錯。使用機器碼編寫的程序一經(jīng)輸入計算機，CPU可以直接讀取運行，因此和其他語言編的程序相比，執(zhí)行速度最快。機器碼與CPU緊密相關(guān)，所以不同種類的CPU所對應(yīng)的機器碼也就不同。
2.2 匯編語言
由于機器碼是由0和1組成的二進制序列，可讀性實在太差，于是人們發(fā)明了指令。
指令就是把機器碼中特定的0和1序列，簡化成對應(yīng)的指令（一般為英文簡寫，如mov、inc等），可讀性稍好，這就是我們常說的匯編語言。在匯編語言中，用助記符 (Mnemonics) 代替機器碼的操作碼，用地址符號 (Symbol) 或標號 (Label) 代替指令或操作數(shù)的地址。
不同的硬件平臺，各自支持的指令是有差別的。因此每個平臺所支持的指令，稱為對應(yīng)平臺的指令集，如常見的x86指令集對應(yīng)的是x86架構(gòu)的平臺，ARM指令集對應(yīng)的是ARM架構(gòu)的平臺。不同平臺之間指令不可以直接移植。
由于計算機只認識機器碼，所以用匯編語言編寫的程序還必須經(jīng)過匯編器轉(zhuǎn)換為機器語言，計算機才能識別和執(zhí)行。
2.3 高級語言
為了使計算機用戶編程序更容易些，后來就出現(xiàn)了各種高級計算機語言。比如C、C++等更容易讓人識別的語言。
高級語言則相對匯編語言更易于編寫，有更好的可讀性，一般編譯器會將高級語言轉(zhuǎn)換成匯編語言，然后再由匯編器轉(zhuǎn)換為機器指令由計算機執(zhí)行。
2.4 字節(jié)碼
字節(jié)碼是一種中間狀態(tài)（中間碼）的二進制代碼（文件），需要轉(zhuǎn)譯后才能成為機器碼。Java 程序可以通過編譯器將源碼編譯成 Java 字節(jié)碼，特定平臺上的虛擬機將字節(jié)碼轉(zhuǎn)譯為可以直接執(zhí)行的指令，也就實現(xiàn)了跨平臺性。如下圖所示：
三、執(zhí)行引擎工作過程
- 執(zhí)行引擎在執(zhí)行過程中，需要執(zhí)行什么樣的字節(jié)碼指令取決于PC寄存器（程序計數(shù)器）；
- 每執(zhí)行完一項指令操作之后，PC寄存器會更新下一條需要執(zhí)行的指令地址；
- 方法執(zhí)行過程中，執(zhí)行引擎可能會通過局部變量表中的對象引用準確定位到 Java 堆中的對象實例信息，以及通過對象頭中的元數(shù)據(jù)信息定位到目標對象的類型信息。
- 解釋器
- JIT編譯器
- 垃圾收集器
3.1 解釋器
解釋器就是一個運行時的“翻譯者”，將字節(jié)碼指令翻譯為對應(yīng)平臺的本地機器指令由CPU執(zhí)行，當一條指令執(zhí)行完成后再根據(jù)PC寄存器中記錄的下一條指令執(zhí)行解釋操作。
JVM設(shè)計者的初衷是為了滿足Java程序?qū)崿F(xiàn)跨平臺特性，因此避免采用靜態(tài)編譯的方式直接生成機器碼，從而誕生了實現(xiàn)解釋器在運行時采用逐行解釋字節(jié)碼執(zhí)行程序的想法。
3.2 JIT（Just-In-Time）編譯器
當執(zhí)行某些頻繁被調(diào)用的代碼（比如for循環(huán)中的代碼）時，如果按照解釋執(zhí)行，效率非常低，這種被頻繁調(diào)用的代碼成為熱點代碼。為了提高熱點代碼的執(zhí)行效率，在運行時，JIT編譯器則會將這些代碼編譯成與本地平臺有關(guān)的機器碼，并進行各種層次的優(yōu)化。
JIT的構(gòu)成組件包括：
- 中間代碼生成器——生成中間代碼
- 代碼優(yōu)化器——優(yōu)化中間代碼
- 目標代碼生成器——生成機器碼或本地代碼
- 分析器——負責(zé)查找熱點代碼
3.2.1 JIT編譯器類型
在 Hotspot 虛擬機中內(nèi)置了兩種JIT編譯器：
- C1編譯器：主要關(guān)注點在于局部性能優(yōu)化，適用于執(zhí)行時間短或?qū)有阅苡幸蟮某绦?#xff0c;如：GUI應(yīng)用，C1編譯器也被稱為Client Compiler。
- C2編譯器：為長期運行的服務(wù)端應(yīng)用程序做性能優(yōu)化的編譯器，適用于執(zhí)行時間較長或?qū)Ψ逯敌阅苡幸蟮某绦?#xff0c;C2編譯器也被稱為Server Compiler。
3.2.2 分層編譯
在 Java7 引入了分層編譯，這種方式綜合了 C1 的啟動優(yōu)勢和 C2 的峰值性能優(yōu)勢。分層編譯將 JVM 的執(zhí)行狀態(tài)分為5個層次：
- 第0層：程序解釋執(zhí)行，默認開啟性能監(jiān)控（Profiling），如果不開啟，可觸發(fā)第二層編譯
- 第1層：C1編譯，將字節(jié)碼編譯成本地代碼，進行簡單可靠的優(yōu)化，不開啟Profiling
- 第2層：C1編譯，開啟Profiling，僅執(zhí)行帶方法調(diào)用次數(shù)和循環(huán)回邊執(zhí)行次數(shù)Profiling的C1編譯
- 第3層：C1編譯，執(zhí)行所有帶Profiling的C1編譯
- 第4層：C2編譯，將字節(jié)碼編譯為本地代碼，但會啟用一下編譯耗時較長的優(yōu)化，甚至?xí)鶕?jù)性能監(jiān)控信息進行一些不可靠的激進優(yōu)化。
Java8 中默認開啟分層編譯，-XX:-TieredCompilation 參數(shù)可關(guān)閉分層編譯只使用C2編譯，如果只使用C1編譯可設(shè)置參數(shù) -XX:TieredStopAtLevel=1。
-Xint參數(shù)可設(shè)置為強制解釋器模式運行，-Xcomp可設(shè)置為強制運行JIT編譯模式。
3.2.3 熱點代碼探測
Hotspot 虛擬機判定熱點代碼基于2種計數(shù)器進行，方法調(diào)用計數(shù)器和回邊計數(shù)器，只有代碼符合標準并達到設(shè)置的閾值才會進行JIT編譯優(yōu)化。
1）方法調(diào)用計數(shù)器
當某個方法調(diào)用次數(shù)達到閾值就會觸發(fā)JIT編譯優(yōu)化。
jinfo -flag CompileThreshold 或者 java -XX:+PrintFlagsFinal -version 命令可查看方法調(diào)用次數(shù)閾值，客戶端模式下默認值為1500，服務(wù)端模式下默認值為10000。
2）回邊計數(shù)器
用于統(tǒng)計方法體中循環(huán)體代碼執(zhí)行次數(shù)，字節(jié)碼中遇到控制流向后跳轉(zhuǎn)的指令稱為“回邊”（Back Edge），用于計算是否為熱點代碼的閾值。
計算公式如下：
回邊計數(shù)器閾值 = 方法調(diào)用計數(shù)器閾值（CompileThreshold）*（OSR比率（OnStackReplacePercentage）-解釋器監(jiān)控比例（InterpreterProfilePercentage））/ 100
java -XX:+PrintFlagsFinal -version 命令可查看相關(guān)參數(shù)
?根據(jù)圖中顯示的各參數(shù)的默認值可以計算出回邊計數(shù)器閾值為：1000 * (140 - 33) = 10700
3.2.4 編譯優(yōu)化技術(shù)
1）方法內(nèi)聯(lián)
方法內(nèi)聯(lián)的優(yōu)化行為是將目標方法的代碼復(fù)制到發(fā)起調(diào)用的方法中，避免真實方法調(diào)用。
private int add(int a, int b, int c, int d) {return addInt1(a, b) + addInt2(c, d);
}
?
private int addInt1(int a, int b) {return a + b;
}
?
private int addInt2(int a, int b) {return a + b;
}例如上面的代碼如果被檢測為熱點代碼，則會被優(yōu)化為以下代碼：
private int add(int a, int b, int c, int d) {return a + b + c + d;
}熱點方法不一定都會被內(nèi)聯(lián)優(yōu)化，只有當方法體大小小于參數(shù) -XX:FreqInlineSize 值（默認325字節(jié)）才會進行內(nèi)聯(lián)，非熱點方法當方法體小于參數(shù) -XX:MaxInlineSize 值（默認35字節(jié)）才會進行內(nèi)聯(lián)。
相關(guān)性能調(diào)優(yōu) ：
- 減小熱點方法檢測閾值，增加內(nèi)聯(lián)方法體閾值，缺點則是會增加內(nèi)存占用
- 盡量避免在一個方法體內(nèi)寫入大量代碼，習(xí)慣使用小方法體
- 盡量使用final private static 關(guān)鍵字修飾方法，代碼優(yōu)化時，因為繼承需要額外的類型檢查。
2）鎖消除
當方法中的局部方法中創(chuàng)建的對象只能被當前線程訪問時，不存在鎖競爭，JIT編譯會對這個對象的方法進行鎖消除。
參數(shù) -XX:+EliminateLocks 可以開啟鎖消除（默認開啟），-XX:-EliminateLocks 則是關(guān)閉鎖消除。
3）鎖粗化
如果檢測到同一個對象執(zhí)行了連續(xù)的加鎖和解鎖操作，則會將這一系列操作合并成一個更大的鎖，從而提升程序運行效率。
4）逃逸分析
JIT編譯器會對熱點代碼中的對象進行逃逸分析，分析該對象動態(tài)作用域，當被傳遞到其他方法中稱為方法逃逸，當能被外部方法所引用則為線程逃逸。
不逃逸 到 方法逃逸 再到 線程逃逸，逃逸程度由低到高。
逃逸分析可以通過參數(shù) -XX:+DoEscapeAnalysis開啟（jdk1.8默認開啟），或 -XX:-DoEscapeAnalysis 關(guān)閉。
關(guān)閉逃逸分析會導(dǎo)致對象分配到堆中，頻繁觸發(fā)垃圾回收導(dǎo)致代碼運行慢。
5）標量替換
當確定對象不會逃逸出線程之外，該對象則會被分配到棧上，對象分配到棧需要進行成員變量拆分，這種優(yōu)化技術(shù)叫做標量替換。標量替換需要開啟逃逸分析。
標量替換可以通過參數(shù) -XX:+EliminateAllocations開啟（jdk1.8默認開啟），或-XX:+EliminateAllocations關(guān)閉
3.3 垃圾收集器
Java的一個主要特點就是開發(fā)人員不需要過分關(guān)注對象的內(nèi)存管理，無用對象的銷毀和空間釋放都交由JVM的垃圾收集器處理。這減輕了編程負擔(dān)提高了編程效率，但垃圾回收也會影響程序的性能。
詳細介紹見上章。
四、總結(jié)
JVM中的執(zhí)行引擎是JVM的重要組成部分之一，主要負責(zé)將字節(jié)碼指令翻譯成機器碼指令。
執(zhí)行引擎包括解釋器，JIT解釋器和垃圾收集器。
解釋器就是運行時的“翻譯者”，將字節(jié)碼解釋為機器指令。
但是某些頻繁執(zhí)行的熱點代碼依然采用解釋執(zhí)行的話會導(dǎo)致程序執(zhí)行很慢，JIT編譯器則是負責(zé)將熱點代碼編譯分層優(yōu)化成本地機器碼。
垃圾收集器則負責(zé)無用對象的銷毀，釋放內(nèi)存空間。