JVM的编译方式及运行效率

Q：JVM采用了什么编译方式？
A：JVM的编译方式分为前端编译和后端编译，部分静态提前编译（AOT）

前端编译

简介

由于JVM的输入为字节码（.class文件），而我们的编程输出的是自然语言（.java文件），所以就需要一种将我们的输出（.java文件）转换成JVM输入（.class文件）的编译工具，它就是前端编译。
常见的前端编译即为JDK自带的Oracle的javac工具

过程

常见的javac编译过程大概分为了四个阶段。
第一阶段：词法分析。
第二阶段：语法分析。
第三阶段：语义分析。
第四阶段：字节码生成。

后端编译

从硬件视角上来看，JAVA字节码（.class）无法直接被底层硬件执行，需要不同平台的虚拟机给编译成各自平台适用的机器码。这个编译过程便是JVM的最大的功能之一。也正是这个功能保证了JAVA语言的跨平台的特性。

1. 解释执行

顾名思义，就是逐条的将字节码翻译成机器码并执行。比如成同声传译，边听别写，解释执行便是边解释边执行。

2. JIT

即时编译（Just In Time compilation），指在运行时，JVM将“热点方法”（class字节码）全部编译成机器码后在执行。

3. 混合模式

JVM结合两者的优缺点，综合了两种编译方式的优点，采用了混合模式。HotSpot默认采用了混合模式，它先解释执行字节码，然后将其中反复执行的代码，以方法为单位进行及时编译。

静态提前编译（AOT）

在程序执行前，提前将java代码翻译成本地代码，一边在程序运行时直接调用本地代码。

AOT 编译器从编译质量上来看，肯定比不上 JIT 编译器。其存在的目的在于避免 JIT 编译器的运行时性能消耗或内存消耗，或者避免解释程序的早期性能开销。

在运行速度上来说，AOT 编译器编译出来的代码比 JIT 编译出来的慢，但是比解释执行的快。而编译时间上，AOT 也是一个始终的速度。所以说，AOT 编译器的存在是 JVM 牺牲质量换取性能的一种策略。就如 JVM 其运行模式中选择 Mixed 混合模式一样，使用 C1 编译模式只进行简单的优化，而 C2 编译模式则进行较为激进的优化。充分利用两种模式的优点，从而达到最优的运行效率。

Q：JVM的运行效率
A：HotSpot充分利用了各编译方式的优缺点，使JVM的运行效率达到最高。

上图是默认和使用命令调用不同的编译模式

对程序来说，也符合二八定律，即百分之二十的代码占用了百分之八十的计算资源。对于大部分的不常用的代码，我们我们无需耗费资源对其进行编译处理，只需要在执行时采用解释执行的方式即可；而对于百分之二十的常用的代码，我们可以采用JIT的方式，将其即时编译成机器码，这样在执行时的效率就能达到最高。

即时编译的运行效率，理论上可以超过静态编译的，相对于静态编译，即时编译可以保存一些运行时信息，（例如接口下的实现类，静态编译需要遍历所有的实现类来找到目标类，而即时编译所对应的就是对应的实现类）

C1、C2、Graal编译器

在采用即时编译的策略上，HotSpot也分为不同的做法，分别为较为缓和的C1编译器和较为激进的C2编译器，以及在JDK10中被引入的实验性质的Graal编译器。

引入了多个编译器，便是应对更加复杂的程序，在运行时间和运行效率中做取舍。

C1编译器又被称为Client编译器，编译时间相对较短，优化比较简单，常见的是启动的更快。

C2编译器又被称为Server编译器，编译时间相对较长，优化方式比较复杂和全面，优化后的代码执行效率更高。

C2的优化对比C1体现在两方面，一方面是进行了更多更全面的优化，另一方面是面对同一种优化采用不同的算法。

分层编译

从JDK7开始，HotSpot默认采用了分层编译的方式，“热点方法”会先被C1编译，“热点方法”的“热点”会被C2编译。

达到热点代码是通过热点算法来进行统计的，而分层编译的热点阈值又不同默认是的达到2k进入C1，达到15k进入C2（C1>2k, C2>15k）。

热点代码有两种算法，基于采样的热点探测和基于计数器的热点探测。一般采用的都是基于计数器的热点探测。基于计数器的热点探测又有两个计数器，方法调用计数器(热度衰减机制)，回边计数器（OSRP计算公式 OnStackReplacePercentage），他们在C1和C2又有不同的阈值。

在运行时，解释执行和即时编译会同时进行，编译完成后的机器码会在下次执行时替代解释执行。

HotSpot 的即时编译是放在额外的编译线程中进行的。HotSpot 会根据 CPU 的数量设置编译线程的数目，并且按 1:2 的比例配置给 C1 及 C2 编译器。

参考

1. 《极客时间-深入拆解虚拟机-郑雨迪》
2. Java三种编译方式 - CSDN
3. HotSpot原理指南-个人博客
4. hotspot热点代码探测-知乎