掘金 后端 ( ) • 2024-04-10 21:03
什么是JIT编译器？
编译器

在Java中，JIT（Just-In-Time）编译器是Java虚拟机（JVM）的一个重要组成部分，它负责将Java字节码转换成特定平台的机器码。这个过程是在Java程序运行时进行的，而非传统的编译过程中。Java的JIT编译器的目的是提高程序的执行效率，特别是对于长时间运行的Java应用来说，JIT编译可以显著提高性能。

这里是Java中JIT工作的基本流程：

  1. 编译到字节码：首先，Java源代码被编译成Java字节码（.class文件）。这一步是静态的，发生在程序运行之前。

  2. 类加载：当Java程序运行时，Java虚拟机（JVM）会加载这些字节码文件。

  3. 字节码解释执行：最初，JVM通过解释器逐条执行字节码。这意味着JVM读取每条指令，然后执行对应的操作。这种方式简单但效率不高。

  4. JIT编译：当JVM识别出某些方法或代码块被频繁调用（即“热点代码”），它会使用JIT编译器将这些热点代码从字节码编译成本地机器码。由于机器码可以直接在硬件上执行，这样可以显著提高程序的执行速度。

  5. 优化：JIT编译器在编译过程中还会进行各种优化，比如内联、循环展开等，这些优化可以进一步提升代码的执行效率。

JIT原理

要深入理解Java中JIT（Just-In-Time）编译器的原理，我们需要从Java虚拟机（JVM）的架构和JIT编译的工作流程入手。

JVM 架构简览

JVM主要由以下几个部分组成：

  1. 类加载器（Class Loaders）：负责加载类文件。
  2. 运行时数据区（Runtime Data Areas）：存储各种运行时数据，包括堆（Heap）、栈（Stacks）、方法区（Method Area）、程序计数器（Program Counter Register）等。
  3. 执行引擎（Execution Engine）：将字节码转换为机器码并执行。执行引擎中包括解释器（Interpreter）和JIT编译器。

JIT 编译流程

JIT编译器的工作流程大致如下：

  1. 解释执行：最初，执行引擎使用解释器逐条解释执行字节码。这种执行方式容易实现，但效率不高。
  2. 识别热点代码：JVM监控各个方法的执行情况，识别出被频繁执行的方法或代码块，即“热点代码”（Hot Spot Code）。
  3. 编译热点代码：JIT编译器将这些热点代码编译成相应平台的机器码。这个过程中，JIT编译器还会应用多种优化技术，比如方法内联、循环展开等，以提高代码的执行效率。
  4. 替换与执行：编译生成的机器码将替换原先的字节码执行路径。当再次执行到这些代码时，JVM将直接执行对应的机器码，从而提高执行效率。

JIT 编译器的实现

Java中的JIT编译器实现较为复杂，主要体现在优化策略和代码生成上。比如，OpenJDK中就包含了一个非常著名的JIT编译器：HotSpot VM。

1. 优化策略

JIT编译器在将字节码转换成机器码的过程中，会应用一系列的优化策略来提高程序的执行效率。这些优化策略主要包括：

  • 死码删除（Dead Code Elimination）：编译器会识别并删除那些不会影响程序最终结果的代码段，例如永远不会被执行到的代码（dead code）。

  • 循环优化（Loop Optimization）：循环是程序中常见的热点，因此循环优化是JIT编译器的重点。这包括循环展开（减少循环次数来减小循环开销）和循环融合等技术。

  • 方法内联（Method Inlining）：将一个方法的内容直接替换到调用该方法的位置，以减少方法调用的开销。如果一个方法较小且频繁被调用，将其内联可以显著提高性能。

  • 逃逸分析（Escape Analysis）：分析对象的作用域和生命周期，如果对象不会“逃逸”出方法或线程，可能会被优化成栈上分配，减少垃圾收集的压力。

2. 代码生成

代码生成是JIT编译的核心步骤，将Java字节码转换为机器码的过程可以分为几个阶段：

  • 中间表示（Intermediate Representation, IR）：JIT编译器首先将字节码转换成中间表示（IR），这是一个平台无关的代码表示形式，便于进行各种代码分析和优化。IR可以是基于树的、基于图的或线性的。

  • 优化：在IR层面上，编译器会执行各种优化策略，如前面提到的死码删除、循环优化和方法内联等。这一阶段可能会经过多遍优化，每遍针对不同的优化目标。

  • 代码调度（Instruction Scheduling）：在这一阶段，编译器会根据处理器的特性对指令进行排序，尽量避免执行阻塞，并充分利用CPU的指令流水线。

  • 寄存器分配（Register Allocation）：编译器需要决定将哪些变量存放在寄存器中。由于寄存器的数量有限，这需要通过复杂的算法来优化使用效率。

  • 机器码生成：最后，编译器将优化后的IR转换成特定平台的机器码。这一步涉及到具体的指令选择和编码，以及最终代码的布局。

HotSpot的JIT编译器架构

HotSpot虚拟机包含两个主要的JIT编译器：

  1. C1（Client Compiler）：也称为轻量级或第一层优化编译器，主要针对启动速度进行优化，快速编译，但不深入优化代码。
  2. C2（Server Compiler）：也称为重量级或第二层优化编译器，它进行更深入的代码分析和优化，适用于长时间运行的应用，以确保最高的执行效率。

探索源码

  1. 源码获取：首先，你需要获取OpenJDK的源码。这可以通过从OpenJDK的官方网站下载源码包或使用Git克隆相关仓库来完成。

  2. 浏览代码：一旦你有了源代码，可以使用IDE或文本编辑器来浏览。对于JIT编译器的实现，主要关注以下目录和文件：

    • src/hotspot/share/opto：这个目录包含了C2编译器的大部分实现代码。
    • src/hotspot/share/c1：这里包含了C1编译器的实现。
    • src/hotspot/share/runtime：虽然这不是JIT编译器的直接实现，但它包含了与JVM运行时环境相关的代码，这对理解JIT编译器的上下文非常重要。

  3. 理解编译流程：JIT编译的流程包括解析字节码、生成中间表示（IR）、进行优化变换、以及最终生成目标平台的机器码。在源码中，你将看到这一流程的具体实现，如IR的构建、不同优化技术的实现，以及机器码的生成。

  4. 研究优化策略：深入理解源码中实现的优化策略，比如循环展开、方法内联、死码消除等。查看这些策略是如何实现的，它们是如何被应用到IR上，并最终影响生成的机器码。

  5. 调试和实验：理解源码的一个好方法是修改它，然后观察变化。你可以尝试更改某些优化策略，重新编译JVM，并运行Java程序来看看你的更改如何影响性能。

简单案例

在Spring Boot应用中，JIT编译是由JVM自动进行的，不需要开发者显式地去做任何特定的配置。JVM在运行时会自动将热点代码（频繁执行的代码）编译成机器码以提高执行效率。但是，我们可以通过一个简单的例子来观察JIT编译的影响，并思考如何优化代码以便JIT编译器更有效地工作。

让我们通过一个简单的Spring Boot应用来展示这一点。假设我们有一个服务，它在每次被调用时都会执行一个计算密集型的操作。

步骤 1: 创建一个简单的Spring Boot应用

首先，我们创建一个简单的Spring Boot应用，其中包含一个REST控制器。

@SpringBootApplication
public class JitExampleApplication {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(JitExampleApplication.class, args);
    }

    @RestController
    class HeavyComputationController {

        @GetMapping("/compute")
        public String compute() {
            return "Result of computation: " + heavyComputation();
        }

        private long heavyComputation() {
            long result = 0;
            for (long i = 0; i < 1000000L; i++) {
                for (long j = 0; j < 100L; j++) {
                    result += Math.sqrt(i * j);
                }
            }
            return result;
        }
    }
}

这段代码定义了一个REST控制器，其中包含一个/compute端点。每次调用这个端点时，都会执行heavyComputation方法，这是一个计算密集型的方法。

步骤 2: 观察和思考JIT编译的效果

现在，如果我们启动这个应用并多次访问/compute端点，我们可以使用Java的JIT编译器日志来观察JIT编译过程。

你可以在启动应用时添加JVM参数来打开JIT编译器的日志，例如：

java -XX:+PrintCompilation -jar target/jit-example-0.0.1-SNAPSHOT.jar

这个命令会打印JIT编译器编译方法的信息。你将会看到，随着时间的推移，heavyComputation方法可能会被JIT编译器优化。

步骤 3: 代码优化以辅助JIT编译

尽管JIT编译器非常智能，但编写“JIT友好”的代码可以帮助JIT编译器更有效地进行优化。例如，避免复杂的逻辑分支、减少方法调用深度、使用最终变量和不变对象等，都可以帮助JIT编译器进行更有效的优化。

在我们的例子中，heavyComputation方法已经足够简单，但在实际应用中，重构和优化复杂的方法可以帮助JIT编译器更好地工作，从而提高应用的性能。
相关内容
性能革命：LLGO如何超越Go标准编译器
我想写一个demo级别的编译器，我是该用C语言实现还是用nodejs实现？
编译器开洞是什么意思？
北京：提前谋划、组织攻关 RISC-V 芯片的操作系统内核、编译器等底层软件
北京：提前谋划、组织攻关RISC-V芯片的操作系统内核、编译器等底层软件，实现芯片研发与软件迭代同步
给 Moonscript 重写编译器的故事
实现“代码可视化”需要了解的前置知识-编译器前端