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date: 2020-12-12
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# 前言

Java 中有 2 种编译：
- ` 前端编译 `：.java 文件 → .class 文件
- ` 运行时编译 `：运行时将 ` 字节码→机器码 `，通过 `JIT` 或 ` 解释器 `

本文分析运行时编译器，如何实现对 Java 代码的优化。

# 类编译加载执行过程

Java 从编译到运行的过程如下：

![](http://yano.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2020-12-12-101818.jpg)

## 类编译

就是前面所说的 .java 文件 → .class 文件，可以通过 `javac` 命令完成。

## 类加载

当一个类被创建实例或者被其它对象引用时，虚拟机在没有加载过该类的情况下，会通过类加载器将字节码文件加载到内存中。

## 类连接

### 验证

验证类符合 Java 规范和 JVM 规范，在保证符合规范的前提下，避免危害虚拟机安全。

### 准备

为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值。对于 final static 修饰的变量，直接赋值为用户的定义值。例如，`private final static int value=123`，会在准备阶段分配内存，并初始化值为 123，而如果是 `private static int value=123`，这个阶段 value 的值 ` 仍然为 0`。

### 解析

` 将符号引用转为直接引用 ` 的过程。在编译时，Java 类并 ` 不知道所引用的类的实际地址 `，因此只能使用符号引用来代替。类结构文件的常量池中存储了符号引用，包括类和接口的全限定名、类引用、方法引用以及成员变量引用等。如果要使用这些类和方法，就需要把它们转化为 JVM 可以直接获取的内存地址或指针，即直接引用。

### 类初始化

VM 首先将执行构造器 `<clinit>` 方法，编译器会在将 .java 文件编译成 .class 文件时，收集所有 ` 类初始化代码 `，包括 ` 静态变量赋值语句 `、` 静态代码块 `、` 静态方法 `，收集在一起成为 `<clinit>()` 方法。

# 即时编译

类在调用执行过程中，执行引擎会把 ` 字节码转为机器码 `，然后在操作系统中才能执行。在字节码转换为机器码的过程中，虚拟机中还存在着一道编译——即时编译。

在执行时，虚拟机首先会由 ` 解释器 ` 完成编译，当发现 ` 热点代码 ` 后，` 即时编译器（JIT）` 会把这些代码编译成 ` 本地平台相关的机器码 `，并进行各个层次的优化，保存到内存中。

## 即时编译器类型

Java 8 有 2 个：
- `C1 编译器（Client Compiler）`：简单快速的编译器，主要在于局部性的优化，适用于执行时间较短或对启动性能有要求的程序。
- `C2 编译器（Server Compiler）`：适用于执行时间较长的程序。

Java 9 引入了 `AOT 编译器 `，可以在程序运行前进行静态编译，可以避免运行时的编译消耗和内存消耗，class 文件可以直接编译成 so 二进制文件。

Java 10 引入了 JIT 编译器 Graal，C1 编译器和 C2 编译器都是用 C++ 实现的，Graal 是使用 Java 实现的。

## 热点探测

是 JIT 优化的条件，是基于计数器的，为每个方法建立计数器统计方法的执行次数，超过一定阈值就认为是 ` 热点方法 `。

有 2 种计数器：
- ` 方法调用计数器（Invocation Counter）`：统计方法被调用的次数
- ` 回边计数器（Back Edge Counter）`：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”（Back Edge）. 目的是为了触发 OSR（On StackReplacement）编译，即 ` 栈上编译 `，将热点代码编译成机器语言并缓存。

## 编译优化技术

### 方法内联

调用一个方法通常要经历压栈和出栈。调用方法是将程序执行顺序转移到存储该方法的内存地址，将方法的内容执行完后，再返回到执行该方法前的位置。

这种执行操作要求在执行前 ` 保护现场并记忆执行的地址 `，执行后要 ` 恢复现场 `，并 ` 按原来保存的地址继续执行 `。 方法调用会产生一定的时间和空间方面的开销。

对于那些方法体代码不大，又频繁调用的方法，可以使用方法内联，把目标方法的代码复制到发起调用的方法中，避免发生真实的方法调用。

### 逃逸分析

逃逸分析（Escape Analysis）是判断一个对象 ` 是否被外部方法引用或外部线程访问 ` 的分析技术，编译器会根据逃逸分析的结果对代码进行优化。

- 栈上分配：对象默认是分配在堆中的，对象不再使用时，需要垃圾回收。如果逃逸分析一个对象仅在方法中使用，可以将对象分配在栈上，该对象可以随着方法的调用结束自动回收内存。Java 8 并没有实现栈上分配。
- 锁消除
- 标量替换：如果对象不被外部访问，且这个对象可以被拆分，则可以不创建这个对象，而是直接创建它的成员变量来替代。对象拆分后，对象的成员变量在栈或寄存器上，原对象无需内存空间。