JVM学习(五)--执行引擎
目录
一、执行引擎
0、机器码、指令、汇编语言
1、执行引擎是做什么的？
2、执行引擎是怎么工作的？
3、代码编译和执行的过程
4、HotSpot VM执行方式
一、执行引擎
0、机器码、指令、汇编语言
1、机器码
2、指令、指令集
3、汇编语言
4、高级语言
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。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。
5、字节码
1、执行引擎是做什么的？
执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
“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(Execution Engine)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。
2、执行引擎是怎么工作的？
从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的: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，输出的是执行结果。
1、执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。
2、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。
3、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。
3、代码编译和执行的过程
大部分的程序代码转换物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过上图中的各个步骤。
过程一：javac.exe的执行：
Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如下所示：
过程二：java.exe的执行：
Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如下所示:
Java 语言的 “编译期” 其实是一段“不确定”的操作过程，因为它可能是指一个前端编译器(其实叫 “编译器的前端” 更准确一些)把.java文件转变成.class文件的过程:
也可能是指虚拟机的后端运行期编译器(JIT编译器，JustIn TimeCompiler)把字节码转变成机器码的过程。
还可能是指使用静态提前编译器(AOT编译器，AheadofimeCompiler)直接把,iava文件编译成本地机器代码的过程。
前端编译器:Sun 的 Javac、Eclipse JDT 中的增量式编译器(ECJ)
JIT 编译器:HotSpot V 的 C1、C2 编译器。
A0T 编译器:GNU Compiler for the Java (GcJ)、Excelsior
HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。
解释器
JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。
什么是解释器(Interpreter)?
当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。
解释器工作机制(或工作任务)
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。从这个角度说，java是解释语言。
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。
为什么说Java是半编译半解释型语言?
AOT(静态提前编译器，Ahead Of Time Compiler)
jdk9引入了AOT编译器(静态提前编译器，Ahead Of Time Compiler)
Java 9 引入了实验性 AOT编译工具jaotc。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。
所谓 AOT编译，是与即时编译相对立的一个概念。我们知道，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。
.java->.class->.so
最大好处：Java虚拟机加载已经预编译成二进制库，可以直接执行。不必等待即时编译器的预热，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”，必须为每个不同硬件、0S编译对应的发行包。
降低了Java链接过程的动态性，加载的代码在编译期就必须全部已知。
还需要继续优化中，最初只支持Linux x64 java base
为什么不静态编译呢?
为什么字节码在装载到虚拟机之前就编译成本地代码呢?
动态编译器在许多方面比静态编译器优越。静态编译器通常很难准确预知程序运行过程中究竟什么部分最需要优化。
函数调用都是很浪费系统时间的，因为有许多进栈出栈操作。因此有一种优化办法，就是把原来的函数调用，通过编译器的编译，改成非函数调用，把函数代码直接嵌到调用出，变成顺序执行。
面向对象的语言支持多态，静态编译无效确定程序调用哪个方法，因为多态是在程序运行中确定调用哪个方法。
什么是动态编译？
动态编译(compile during run-time)，英文称Dynamic compilation;Just In Time也是这个意思。
HotSpot对bytecode的编译不是在程序运行前编译的，而是在程序运行过程中编译的。
HotSpot里运行着一个监视器(Profile Monitor)，用来监视程序的运行状况。
Java字节码(class文件)是以解释的方式被加载到虚拟机中(默认启动时解释执行)。程序运行过程中，那一部分运用频率大，那些对程序的性能影响重要。对程序运行效率影响大的代码，称为热点(hotspot)，HotSpot会把这些热点动态地编译成机器码(nativecode)，同时对机器码进行优化，从而提高运行效率。对那些较少运行的代码，Hotspot就不会把他们编译。
HotSpot对字节码有三层处理:不编译(字节码加载到虚拟机中时的状态。也就是当虚拟机执行的时候再编译);编译(把字节码编译成本地代码。虚拟机执行的时候已经编译好了，不要再编译了);编译并优化(不但把字节码编译成本地代码，而且还进行了优化)。
至于哪些程序那些不编译，那些编译，那些优化，则是由监视器(Profile Monitor)决定。
4、HotSpot VM执行方式
解释器与JT并存的架构
java -version
java -Xint -version
java -Xcomp -version
两个编译器
在HotSpot VM中内嵌有两个]IT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，如下所示:
1、-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。
client启动快，占用内存小，执行效率没有server快，默认情况下不进行动态编译，适用于桌面应用程序。
2、-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。
server启动慢，占用内存多，执行效率高，适用于服务器端应用;
由-XX:+RewriteFrequentPairs参数控制。client模式默认关闭，server模式默认开启。
C1和C2编译器不同的优化策略:
1、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。
(1)、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
(2)、去虚拟化：对唯一的实现类进行内联
(3)、冗余消除：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉
2、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：
(1)、标量替换:用标量值代替聚合对象的属性值
(2)、栈上分配:对于未逃逸的对象分配对象在栈而不是堆
(3)、同步消除:清除同步操作，通常指synchronized
总结：
一般来讲，JIT编译出来的机器码性能比解释器高。
C2编译器启动时长比C1编译器慢，系统稳定执行以后，C2编译器执行速度远远快于C1编译器。
JVM学习(一)
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