JVM-即时编译JIT

编译简介

在谈到JIT前，还是需要对编译过程有一些简单的了解。

在编译原理中，把源代码翻译成机器指令，一般要经过以下几个重要步骤：

什么是JIT
1、动态编译（dynamic compilation）指的是“在运行时进行编译”；与之相对的是事前编译（ahead-of-time compilation，简称AOT），也叫静态编译（static compilation）。

2、JIT编译（just-in-time compilation）狭义来说是当某段代码即将第一次被执行时进行编译，因而叫“即时编译”。JIT编译是动态编译的一种特例。JIT编译一词后来被泛化，时常与动态编译等价；但要注意广义与狭义的JIT编译所指的区别。
3、自适应动态编译（adaptive dynamic compilation）也是一种动态编译，但它通常执行的时机比JIT编译迟，先让程序“以某种式”先运行起来，收集一些信息之后再做动态编译。这样的编译可以更加优化。

JIT简介

JIT是just in time的缩写，也就是即时编译。通过JIT技术，能够做到Java程序执行速度的加速。那么，是怎么做到的呢？

我们都知道，Java是一门解释型语言（或者说是半编译，半解释型语言）。Java通过编译器javac先将源程序编译成与平台无关的Java字节码文件（.class），再由JVM解释执行字节码文件，从而做到平台无关。 但是，有利必有弊。对字节码的解释执行过程实质为：JVM先将字节码翻译为对应的机器指令，然后执行机器指令。很显然，这样经过解释执行，其执行速度必然不如直接执行二进制字节码文件。

而为了提高执行速度，便引入了 JIT 技术。当JVM发现某个方法或代码块运行特别频繁的时候，就会认为这是“热点代码”（Hot Spot Code)。然后JIT会把部分“热点代码”编译成本地机器相关的机器码，并进行优化，然后再把编译后的机器码缓存起来，以备下次使用。

Hot Spot编译

当 JVM 执行代码时，它并不是立即开始编译代码的。这主要有两个原因：

首先，如果这段代码本身在将来只会被执行一次，那么从本质上看，编译就是在浪费精力。因为将代码翻译成 java 字节码相对于编译这段代码并执行代码来说，要快很多。

当然，如果一段代码频繁的调用方法，或是一个循环，也就是这段代码被多次执行，那么编译就非常值得了。因此，编译器具有的这种权衡能力会首先执行解释后的代码，然后再去分辨哪些方法会被频繁调用来保证其本身的编译。Hot Spot VM 采用了 JIT compile 技术，将运行频率很高的字节码直接编译为机器指令执行以提高性能，所以当字节码被 JIT 编译为机器码的时候，要说它是编译执行的也可以。也就是说，运行时，部分代码可能由 JIT 翻译为目标机器指令（以 method 为翻译单位，还会保存起来，第二次执行就不用翻译了）直接执行。

第二个原因是最优化，当 JVM 执行某一方法或遍历循环的次数越多，就会更加了解代码结构，那么 JVM 在编译代码的时候就做出相应的优化。

HotSpot虚拟机中内置了两个JIT编译器：Client Complier（C1）和Server Complier（C2），分别用在客户端和服务端，目前主流的HotSpot虚拟机中默认是采用解释器与其中一个编译器直接配合的方式工作。

热点检测

想要触发JIT编译，首先要识别出热点代码。目前主要的热点代码识别方式是热点探测(Hot Spot Detection)，有以下两种：

1. 基于采样方式探测（Sample Based Hot Spot Detection）：周期性检测各个线程的栈顶，发现某个方法经常出现在栈顶，就认为是热点方法。好处就是简单，缺点就是无法精确确认一个方法的热度。容易受线程阻塞或别的原因干扰热点探测。
2. 基于计数器的热点探测（Counter Based Hot Spot Detection）：采用这种方法的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，某个方法超过阀值就认为是热点方法，触发JIT编译。

在HotSpot虚拟机中使用的是第二种——基于计数器的热点探测方法，因此它为每个方法准备了两个计数器：方法调用计数器(记录一个方法被调用次数)和回边计数器(循环的运行次数)。

哪些程序代码会被编译为本地代码？如何编译为本地代码？

程序中的代码只有是热点代码时，才会编译为本地代码，那么什么是热点代码呢？

运行过程中会被即时编译器编译的“热点代码”有两类：
1、被多次调用的方法。

2、被多次执行的循环体。

两种情况，编译器都是以整个方法作为编译对象。 这种编译方法因为编译发生在方法执行过程之中，因此形象的称之为栈上替换（On Stack Replacement，OSR），即方法栈帧还在栈上，方法就被替换了。

编译阈值

当 JVM 执行一个 Java 方法，它会检查方法调用计数器和回边计数器的总和，以决定这个方法是否有资格被编译。如果有，则这个方法将排队等待编译。这种编译形式并没有一个官方的名字，但是一般被叫做标准编译。

这种编译是一个异步的过程，它允许程序在代码正在编译时被继续执行。

但是如果方法里有一个很长的循环或者是一个永远都不会退出并提供了所有逻辑的程序会怎么样呢？这种情况下，JVM 需要编译循环而并不等待方法被调用。所以每执行完一次循环，分支计数器都会自增和自检。如果分支计数器计数超出其自身阈值，那么这个循环（并不是整个方法）将具有被编译资格。

这种编译叫做栈上替换（OSR），因为即使循环被编译了，这也是不够的：JVM 必须有能力当循环正在运行时，开始执行此循环已被编译的版本。换句话说，如果一个循环被栈上替换方式所编译，那么下一次循环迭代则会执行新编译的代码。

编译优化

JIT除了具有缓存的功能外，还会对代码做各种优化，包括：逃逸分析、 锁消除、 锁膨胀、 方法内联、 空值检查消除、 类型检测消除、 公共子表达式消除

HotSpot虚拟机中使用的是哪钟热点检测方式呢？
在HotSpot虚拟机中使用的是第二种——基于计数器的热点探测方法，因此它为每个方法准备了两个计数器：方法调用计数器和回边计数器。在确定虚拟机运行参数的前提下，这两个计数器都有一个确定的阈值，当计数器超过阈值溢出了，就会触发JIT编译。

方法调用计数器
顾名思义，这个计数器用于统计方法被调用的次数。
当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被JIT编译过的版本，如果存在，则优先使用编译后的本地代码来执行。如果不存在已被编译过的版本，则将此方法的调用计数器值加1，然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阈值。如果超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。
如果不做任何设置，执行引擎并不会同步等待编译请求完成，而是继续进行解释器按照解释方式执行字节码，直到提交的请求被编译器编译完成。当编译工作完成之后，这个方法的调用入口地址就会系统自动改写成新的，下一次调用该方法时就会使用已编译的版本。

回边计数器
它的作用就是统计一个方法中循环体代码执行的次数，在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为“回边”。

如何编译为本地代码？
Server Compiler和Client Compiler两个编译器的编译过程是不一样的。

对Client Compiler来说，它是一个简单快速的编译器，主要关注点在于局部优化，而放弃许多耗时较长的全局优化手段。

而Server Compiler则是专门面向服务器端的，并为服务端的性能配置特别调整过的编译器，是一个充分优化过的高级编译器。

参考

深入分析Java的编译原理

深入浅出 JIT 编译器