javac 編譯與 JIT 編譯

javac 編譯與 JIT 編譯

編譯過程

不論是物理機(jī)還是虛擬機(jī)，大部分的程序代碼從開始編譯到最終轉(zhuǎn)化成物理機(jī)的目標(biāo)代碼或虛擬機(jī)能執(zhí)行的指令集之前，都會(huì)按照如下圖所示的各個(gè)步驟進(jìn)行：

其中綠色的模塊可以選擇性實(shí)現(xiàn)。很容易看出，上圖中間的那條分支是解釋執(zhí)行的過程（即一條字節(jié)碼一條字節(jié)碼地解釋執(zhí)行，如 JavaScript），而下面的那條分支就是傳統(tǒng)編譯原理中從源代碼到目標(biāo)機(jī)器代碼的生成過程。

如今，基于物理機(jī)、虛擬機(jī)等的語言，大多都遵循這種基于現(xiàn)代經(jīng)典編譯原理的思路，在執(zhí)行前先對(duì)程序源碼進(jìn)行詞法解析和語法解析處理，把源碼轉(zhuǎn)化為抽象語法樹。對(duì)于一門具體語言的實(shí)現(xiàn)來說，詞法和語法分析乃至后面的優(yōu)化器和目標(biāo)代碼生成器都可以選擇獨(dú)立于執(zhí)行引擎，形成一個(gè)完整意義的編譯器去實(shí)現(xiàn)，這類代表是 C/C++語言。也可以把抽象語法樹或指令流之前的步驟實(shí)現(xiàn)一個(gè)半獨(dú)立的編譯器，這類代表是 Java 語言。又或者可以把這些步驟和執(zhí)行引擎全部集中在一起實(shí)現(xiàn)，如大多數(shù)的 JavaScript 執(zhí)行器。

javac 編譯

在 Java 中提到“編譯”，自然很容易想到 javac 編譯器將*.java文件編譯成為*.class文件的過程，這里的 javac 編譯器稱為前端編譯器，其他的前端編譯器還有諸如 Eclipse JDT 中的增量式編譯器 ECJ 等。相對(duì)應(yīng)的還有后端編譯器，它在程序運(yùn)行期間將字節(jié)碼轉(zhuǎn)變成機(jī)器碼（現(xiàn)在的 Java 程序在運(yùn)行時(shí)基本都是解釋執(zhí)行加編譯執(zhí)行），如 HotSpot 虛擬機(jī)自帶的 JIT（Just In Time Compiler）編譯器（分 Client 端和 Server 端）。另外，有時(shí)候還有可能會(huì)碰到靜態(tài)提前編譯器（AOT，Ahead Of Time Compiler）直接把*.java文件編譯成本地機(jī)器代碼，如 GCJ、Excelsior JET 等，這類編譯器我們應(yīng)該比較少遇到。

下面簡(jiǎn)要說下 javac 編譯（前端編譯）的過程。

詞法、語法分析

詞法分析是將源代碼的字符流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)記（Token）集合。單個(gè)字符是程序編寫過程中的的最小元素，而標(biāo)記則是編譯過程的最小元素，關(guān)鍵字、變量名、字面量、運(yùn)算符等都可以成為標(biāo)記，比如整型標(biāo)志 int 由三個(gè)字符構(gòu)成，但是它只是一個(gè)標(biāo)記，不可拆分。

語法分析是根據(jù)Token序列來構(gòu)造抽象語法樹的過程。抽象語法樹是一種用來描述程序代碼語法結(jié)構(gòu)的樹形表示方式，語法樹的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都代表著程序代碼中的一個(gè)語法結(jié)構(gòu)，如 bao、類型、修飾符、運(yùn)算符等。經(jīng)過這個(gè)步驟后，編譯器就基本不會(huì)再對(duì)源碼文件進(jìn)行操作了，后續(xù)的操作都建立在抽象語法樹之上。

填充符號(hào)表

完成了語法分析和詞法分析之后，下一步就是填充符號(hào)表的過程。符號(hào)表是由一組符號(hào)地址和符號(hào)信息構(gòu)成的表格。符號(hào)表中所登記的信息在編譯的不同階段都要用到，在語義分析（后面的步驟）中，符號(hào)表所登記的內(nèi)容將用于語義檢查和產(chǎn)生中間代碼，在目標(biāo)代碼生成階段，黨對(duì)符號(hào)名進(jìn)行地址分配時(shí)，符號(hào)表是地址分配的依據(jù)。

語義分析

語法樹能表示一個(gè)結(jié)構(gòu)正確的源程序的抽象，但無法保證源程序是符合邏輯的。而語義分析的主要任務(wù)是讀結(jié)構(gòu)上正確的源程序進(jìn)行上下文有關(guān)性質(zhì)的審查。語義分析過程分為標(biāo)注檢查和數(shù)據(jù)及控制流分析兩個(gè)步驟：

• 標(biāo)注檢查步驟檢查的內(nèi)容包括諸如變量使用前是否已被聲明、變量和賦值之間的數(shù)據(jù)類型是否匹配等。
• 數(shù)據(jù)及控制流分析是對(duì)程序上下文邏輯更進(jìn)一步的驗(yàn)證，它可以檢查出諸如程序局部變量在使用前是否有賦值、方法的每條路徑是否都有返回值、是否所有的受查異常都被正確處理了等問題。

字節(jié)碼生成

字節(jié)碼生成是 javac 編譯過程的最后一個(gè)階段。字節(jié)碼生成階段不僅僅是把前面各個(gè)步驟所生成的信息轉(zhuǎn)化成字節(jié)碼寫到磁盤中，編譯器還進(jìn)行了少量的代碼添加和轉(zhuǎn)換工作。 實(shí)例構(gòu)造器()方法和類構(gòu)造器()方法就是在這個(gè)階段添加到語法樹之中的（這里的實(shí)例構(gòu)造器并不是指默認(rèn)的構(gòu)造函數(shù)，而是指我們自己重載的構(gòu)造函數(shù)，如果用戶代碼中沒有提供任何構(gòu)造函數(shù)，那編譯器會(huì)自動(dòng)添加一個(gè)沒有參數(shù)、訪問權(quán)限與當(dāng)前類一致的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)，這個(gè)工作在填充符號(hào)表階段就已經(jīng)完成了）。

JIT 編譯

Java 程序最初是僅僅通過解釋器解釋執(zhí)行的，即對(duì)字節(jié)碼逐條解釋執(zhí)行，這種方式的執(zhí)行速度相對(duì)會(huì)比較慢，尤其當(dāng)某個(gè)方法或代碼塊運(yùn)行的特別頻繁時(shí)，這種方式的執(zhí)行效率就顯得很低。于是后來在虛擬機(jī)中引入了 JIT 編譯器（即時(shí)編譯器），當(dāng)虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)某個(gè)方法或代碼塊運(yùn)行特別頻繁時(shí)，就會(huì)把這些代碼認(rèn)定為“Hot Spot Code”（熱點(diǎn)代碼），為了提高熱點(diǎn)代碼的執(zhí)行效率，在運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)將會(huì)把這些代碼編譯成與本地平臺(tái)相關(guān)的機(jī)器碼，并進(jìn)行各層次的優(yōu)化，完成這項(xiàng)任務(wù)的正是 JIT 編譯器。

現(xiàn)在主流的商用虛擬機(jī)（如Sun HotSpot、IBM J9）中幾乎都同時(shí)包含解釋器和編譯器（三大商用虛擬機(jī)之一的 JRockit 是個(gè)例外，它內(nèi)部沒有解釋器，因此會(huì)有啟動(dòng)相應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)之類的缺點(diǎn)，但它主要是面向服務(wù)端的應(yīng)用，這類應(yīng)用一般不會(huì)重點(diǎn)關(guān)注啟動(dòng)時(shí)間）。二者各有優(yōu)勢(shì)：當(dāng)程序需要迅速啟動(dòng)和執(zhí)行時(shí)，解釋器可以首先發(fā)揮作用，省去編譯的時(shí)間，立即執(zhí)行；當(dāng)程序運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移，編譯器逐漸會(huì)返回作用，把越來越多的代碼編譯成本地代碼后，可以獲取更高的執(zhí)行效率。解釋執(zhí)行可以節(jié)約內(nèi)存，而編譯執(zhí)行可以提升效率。

HotSpot 虛擬機(jī)中內(nèi)置了兩個(gè)JIT編譯器：Client Complier 和 Server Complier，分別用在客戶端和服務(wù)端，目前主流的 HotSpot 虛擬機(jī)中默認(rèn)是采用解釋器與其中一個(gè)編譯器直接配合的方式工作。

運(yùn)行過程中會(huì)被即時(shí)編譯器編譯的“熱點(diǎn)代碼”有兩類：

• 被多次調(diào)用的方法。
• 被多次調(diào)用的循環(huán)體。

兩種情況，編譯器都是以整個(gè)方法作為編譯對(duì)象，這種編譯也是虛擬機(jī)中標(biāo)準(zhǔn)的編譯方式。要知道一段代碼或方法是不是熱點(diǎn)代碼，是不是需要觸發(fā)即時(shí)編譯，需要進(jìn)行 Hot Spot Detection（熱點(diǎn)探測(cè)）。目前主要的熱點(diǎn) 判定方式有以下兩種：

• 基于采樣的熱點(diǎn)探測(cè)：采用這種方法的虛擬機(jī)會(huì)周期性地檢查各個(gè)線程的棧頂，如果發(fā)現(xiàn)某些方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，那這段方法代碼就是“熱點(diǎn)代碼”。這種探測(cè)方法的好處是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單高效，還可以很容易地獲取方法調(diào)用關(guān)系，缺點(diǎn)是很難精確地確認(rèn)一個(gè)方法的熱度，容易因?yàn)槭艿骄€程阻塞或別的外界因素的影響而擾亂熱點(diǎn)探測(cè)。
• 基于計(jì)數(shù)器的熱點(diǎn)探測(cè)：采用這種方法的虛擬機(jī)會(huì)為每個(gè)方法，甚至是代碼塊建立計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)方法的執(zhí)行次數(shù)，如果執(zhí)行次數(shù)超過一定的閥值，就認(rèn)為它是“熱點(diǎn)方法”。這種統(tǒng)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜一些，需要為每個(gè)方法建立并維護(hù)計(jì)數(shù)器，而且不能直接獲取到方法的調(diào)用關(guān)系，但是它的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)更加精確嚴(yán)謹(jǐn)。

在 HotSpot 虛擬機(jī)中使用的是第二種——基于計(jì)數(shù)器的熱點(diǎn)探測(cè)方法，因此它為每個(gè)方法準(zhǔn)備了兩個(gè)計(jì)數(shù)器：方法調(diào)用計(jì)數(shù)器和回邊計(jì)數(shù)器。

方法調(diào)用計(jì)數(shù)器用來統(tǒng)計(jì)方法調(diào)用的次數(shù)，在默認(rèn)設(shè)置下，方法調(diào)用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)的并不是方法被調(diào)用的絕對(duì)次數(shù)，而是一個(gè)相對(duì)的執(zhí)行頻率，即一段時(shí)間內(nèi)方法被調(diào)用的次數(shù)。

回邊計(jì)數(shù)器用于統(tǒng)計(jì)一個(gè)方法中循環(huán)體代碼執(zhí)行的次數(shù)（準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是回邊的次數(shù)，因?yàn)椴⒎撬械难h(huán)都是回邊），在字節(jié)碼中遇到控制流向后跳轉(zhuǎn)的指令就稱為“回邊”。

在確定虛擬機(jī)運(yùn)行參數(shù)的前提下，這兩個(gè)計(jì)數(shù)器都有一個(gè)確定的閥值，當(dāng)計(jì)數(shù)器的值超過了閥值，就會(huì)觸發(fā)JIT編譯。觸發(fā)了 JIT 編譯后，在默認(rèn)設(shè)置下，執(zhí)行引擎并不會(huì)同步等待編譯請(qǐng)求完成，而是繼續(xù)進(jìn)入解釋器按照解釋方式執(zhí)行字節(jié)碼，直到提交的請(qǐng)求被編譯器編譯完成為止（編譯工作在后臺(tái)線程中進(jìn)行）。當(dāng)編譯工作完成后，下一次調(diào)用該方法或代碼時(shí)，就會(huì)使用已編譯的版本。

由于方法計(jì)數(shù)器觸發(fā)即時(shí)編譯的過程與回邊計(jì)數(shù)器觸發(fā)即時(shí)編譯的過程類似，因此這里僅給出方法調(diào)用計(jì)數(shù)器觸發(fā)即時(shí)編譯的流程：

javac 字節(jié)碼編譯器與虛擬機(jī)內(nèi)的 JIT 編譯器的執(zhí)行過程合起來其實(shí)就等同于一個(gè)傳統(tǒng)的編譯器所執(zhí)行的編譯過程。