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JVM的編譯策略

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摘要：解釋器與編譯器并存如果選用完全解釋策略，那么編譯器將停止所有的工作，字節碼將完全依靠解釋器逐行解釋執行。如果選用完全編譯策略，那么解釋器仍然會在編譯器無法進行的特殊情況下介入運行，這主要是確保程序能夠最終順序執行。

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序

本文主要講述JVM的編譯策略。

解釋器

當虛擬機啟動時，解釋器可以首先發揮作用，而不必等待編譯器全部編譯完成再執行，這樣可以省去許多不必要的編譯時間。并且隨著程序運行時間的推移，編譯器逐漸發揮作用，根據熱點探測功能，，將有價值的字節碼編譯為本地機器指令，以換取更高的程序執行效率。

hotspot中內嵌有2個JIT編譯器，分別為Client Compiler，Server Compiler，但大多數情況下我們稱之為C1編譯器和C2編譯器。
C1編譯器

client compiler，又稱C1編譯器，較為輕量，只做少量性能開銷比較高的優化，它占用內存較少，適合于桌面交互式應用。在寄存器分配策略上，JDK6以后采用的為線性掃描寄存器分配算法，其他方面的優化，主要有方法內聯、去虛擬化、冗余消除等。

A、方法內聯

多個方法調用，執行時要經歷多次參數傳遞，返回值傳遞及跳轉等，C1采用方法內聯，把調用到的方法的指令直接植入當前方法中。-XX:+PringInlining來查看方法內聯信息，-XX:MaxInlineSize=35控制編譯后文件大小。

B、去虛擬化

是指在裝載class文件后，進行類層次的分析，如果發現類中的方法只提供一個實現類，那么對于調用了此方法的代碼，也可以進行方法內聯，從而提升執行的性能。

C、冗余消除

在編譯時根據運行時狀況進行代碼折疊或消除。

C2編譯器

Server compiler，稱為C2編譯器，較為重量，采用了大量傳統編譯優化的技巧來進行優化，占用內存相對多一些，適合服務器端的應用。和C1的不同主要在于寄存器分配策略及優化范圍，寄存器分配策略上C2采用的為傳統的圖著色寄存器分配算法，由于C2會收集程序運行信息，因此其優化范圍更多在于全局優化，不僅僅是一個方塊的優化。收集的信息主要有：分支的跳轉/不跳轉的頻率、某條指令上出現過的類型、是否出現過空值、是否出現過異常等。

逃逸分析是C2進行很多優化的基礎，它根據運行狀態來判斷方法中的變量是否會被外部讀取，如不會則認為此變量是不會逃逸的，那么在編譯時會做標量替換、棧上分配和同步消除等優化。

（1）標量替換

簡單地說，就是用標量替換聚合量。這樣做的好處是如果創建的對象并未用到其中的全部變量，則可以節省一定的內存。對于代碼執行而言，無需去找對象的引用，也會更快一些。

（2）棧上分配

如果point沒有逃逸，那么C2會選擇在棧上直接創建Point對象的實例，而不是在JVM堆上。在棧上分配的好處一方面是加快速度，另一方面是回收時隨著方法的結束，對象被回收了。

（3）同步消除

如果發現同步的對象未逃逸，那也就沒有必要進行同步了，C2編譯時會直接去掉同步。

C2還會基于擁有的運行信息來做其他優化，比如編譯分支頻率執行高的代碼等。

運行后C1、C2編譯出來的機器碼如果不再符合優化條件，則會進行逆優化，也就是回到解釋執行的方式，例如基于類層次分析編譯的代碼，當有新的相應的接口來實現類加入時，就執行逆優化。

OSR編譯

除了C1、C2外，還有OSR（On Stack Replace）編譯，只替換循環代碼體的入口，C1、C2替換的是方法調用的入口。因此OSR編譯后會出現的現象是方法的整段代碼被編譯了，但是只有循環體部分才執行編譯后的機器碼，其他部分仍是解釋執行。

當機器配置CPU超過2核且內存超過2G，默認為server模式，32位的windows始終選擇的是client模式。

分層編譯

Java7默認開啟分層編譯（tiered compilation）策略，由C1編譯器和C2編譯器相互協作共同來執行編譯任務。C1編譯器會對字節碼進行簡單和可靠的優化，以達到更快的編譯速度；C2編譯器會啟動一些編譯耗時更長的優化，以獲取更好的編譯質量。

（1）解釋器不再收集運行狀態信息，只用于啟動并觸發C1編譯
（2）C1編譯后生成帶收集運行信息的代碼
（3）C2編譯，基于C1編譯后代碼收集的運行信息進行激進優化，當激進優化的假設不成立時，再退回使用C1編譯的代碼

程序在未編譯期間解釋執行有個閾值，SunJDK主要依據方法上的兩個計數器是否超過閾值來判斷：

A、調用計數器，即方法被調用的次數，CompileThreshold，該值是指當方法被調用多少次后，就編譯為機器碼，client模式默認為1500次，server模式默認為1萬次，可以在啟動時添加-XX:CompileThreshold=10000來設置該值。

B、回邊計數器，即方法中循環執行部分代碼的執行次數，OnStackReplacePercentage，該值用于/參與計算是否觸發OSR編譯的閾值，client默認為933，sever默認為140，可以通過-XX: OnStackReplacePercentage=140來設置。

client模式下的計算規則為CompileThreshold*OnStackReplacePercentage/100，
server模式下計算規則為CompileThreshold*（OnStackReplacePercentage-InterpreterProfilePercentage）/100。InterpreterProfilePercentage，默認為33。

當方法上的回邊計數器到達這個值時，觸發后臺的OSR編譯，并將方法上累積的調用計數器設置為CompileThreshold 的值，同時將回邊計數器設置為CompileThreshold/2的值。這樣做一方面是為了避免OSR編譯頻繁被觸發，另一方面是以便當方法被再次調用時即觸發正常的編譯，當累積的回邊計數器的值再次達到該值時先檢查OSR編譯是否完成，如果已完成，則在執行循環體的代碼時進入編譯后的代碼，如果未完成，繼續把當前回邊計數器的累計值再減掉一些，默認情況下，對于回邊的情況，server模式下只要回邊次數達到10700次（10000*（140-33）），就會觸發OSR編譯。

解釋器與編譯器并存

如果選用完全解釋策略，那么編譯器將停止所有的工作，字節碼將完全依靠解釋器逐行解釋執行。
如果選用完全編譯策略，那么解釋器仍然會在編譯器無法進行的特殊情況下介入運行，這主要是確保程序能夠最終順序執行。

SunJDK之所以未選擇在啟動時即編譯成機器碼的原因如下：
（1）靜態編譯并不能根據程序的運行狀態來優化執行的代碼，C2這種方式是根據運行狀態來進行動態編譯的，例如分支判斷、逃逸分析等，這些措施會對提升程序執行的性能起到很大的幫助，在靜態編譯的情況下是無法實現的，給C2收集運行數據越長的時間，編譯出來的代碼會越優。
（2）解釋執行比編譯執行更節省內存
（3）啟動時解釋執行的啟動速度比編譯再啟動更快。

參考

深入理解Java虛擬機（第2版）

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