HotSpot虚拟机之后端编译与优化

一、解释器与编译器

二、即时编译器

1. 热点代码

2. 编译过程

三、编译器优化技术

1. 方法内联

2. 逃逸分析

3. 公共子表达式

4. 数组边界检查消除

四、参考资料

一、解释器与编译器

HotSpot虚拟机采用解释器与编译器并存的运行架构，如下表所示两者特点。

解释与编译器	特点
解释器	1.目的：字节码文件转为本地机器码，如：javac编译后，解释器解释； 2.优点：程序可以迅速启动和执行，省去编译的时间，立即运行。
编译器	1.目的：即时编译出优化程度更高的本地机器码，但花费时间也会越长； 2.HotSpot虚拟机内置两个或三个即时编译器，其中两个即时编译： C1编译器：客户端编译器（Client Compiler）； C2编译器：服务端编译器（Server Compiler），JDK10的Graal替换C2；
注意： a.JVM中一般采用“混合模式”（mixed mode）：解释器与编译器搭配使用； b.参数-client、-server强制JVM运行在客户端模式，还是服务端模式。

输出代码优化质量的高低决定编译器是否优秀的关键，编译器分为：前端编译器（将Java源码转变成字节码的过程，只完成源码到抽象语法树或字节码的生成，如：javac命令）、后端编译器（完成代码优化及字节码生成本地机器码的过程，如：即时编译、提前编译都是后端编译器）。后端编译器完成热点代码的编译，又分为即时编译、提前编译；而HotSpot即时编译内置不同模式下的C1、C2编译。

即时编译最大缺点是运行时编译占用程序运行时间或运算资源，为了提高效率，则提前编译器编译后提前保存（即时编译缓存），运行时则直接加载使用。

JDK7在服务端模式，默认开启编译策略，即：分层编译，根据编译、优化的规模与耗时划分出不同的层次，如下图所示编译分层及交互关系。

二、即时编译器

1. 热点代码

程序运行过程中对“热点代码”进行即时编译，所以即时编译的对象是热点代码。热点代码有：多次调用方法、多次执行的循环体，如下表所示。

热点代码分类	特点
被多次调用的方法	整个方法体作为编译对象（标准的即时编译方式）
被多次执行的循环体	1.热点代码只是方法体的一部分，但是以整个方法作为编译对象； 2.“栈上替换”：虽然以整个方法作为编译对象，但是执行入口（从方法第几条字节码指令）不同，编译时会传入执行入口点字节码序号。这种编译发生在方法执行过程中，即：方法的栈帧还在栈中，方法被替换。
注意： a.运行时，即时编译的目标是“热点代码”，有更好的优化； b.“栈上替换”：方法的栈帧还在栈中，方法被替换； c.上述两种热点代码，都是以整个方法作为编译对象，但是执行入口不同。

注意：以上两种热点代码，编译的对象都是整个方法体，而不是单独的循环体。若是循环体，执行入口（从方法第几条字节码指令开始执行）会稍有不同。

那么什么时候触发即时编译呢？即热点代码探测技术，其分为：采样、计数器（JVM采用），如下表所示。

热点代码探测

特点

采样

1.实现：周期性检查各线程的调用栈顶，发现某个方法经常出现，则为热点；

2.优点：简单高效；易获取方法调用关系；

缺点：很难精确方法热度，易受线程阻塞干扰。

计数器

(HotSpot使用)

1.实现：每个方法(或代码块)建计数器，某时间段内统计执行次数，超出该阈值，则为热点；

2.优点：更加精确严谨；

缺点：实现复杂(维护计数器)；不能直接获取方法调用关系；

3.HotSpot每个方法有两类计数器：方法调用计数器、回边计数器；

a.方法调用计数器：参数-XX:CompileThreshold（客户端模式1500次；服务端模式10000次）；热度衰减（衰减操作在GC时触发）；

b.回边计数器：不同模式下回边阈值统计不同；绝对次数，没有热度衰减。

注意：

a.“回边”（Back Edge）：字节码控制流遇到向后跳转的指令；

b.回边次数不等于循环次数，如：空循环（自己跳转到自己的过程）；

c.HotSpot两类计数器触发即时编译，见下图。

2. 编译过程

即时编译代码优化是建立在中间表示或机器码之上，而不是直接在源码或字节码做优化，如下图所示编译过程，共三个阶段：字节码生成HIR（High-Level Intermediate Representation _ 高级中间代码）、HIR生成LIR（Low-Level Intermediate Representation _ 低级中间代码）、LIR生成本地机器码。