JVM（十三）—— 执行引擎

执行引擎概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
虚拟机是一个相对物理机的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接简历在处理器，缓存，指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是有软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它nebula包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令，符号表，以及其他辅助信息。

那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎的任务就是将字节码指令解释编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎冲当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

1. 执行引擎咋执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。
2. 每当执行完一项指令操作后，pc寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
3. 当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储咋局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆中的对象实例信息，一级通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。
4. 从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入，输出都是一致的，输入的时字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果。

Java程序的编译和解释运行

大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过上图中的各个步骤。

Java代码编译是由Java源码编译器来完成，流程图如上所示。

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成，流程图如上所示。

解释器和JIT编译器

解释器就是当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容翻译为对应平台的本地机器指令执行。
JIT（just in time compiler）编译器，也叫即时编译器，就是虚拟机将源代码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。

Java是半编译半解释型语言，Java随着发展，也出现了直接生成本地代码的编译器，现在JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译二者结合起来进行。

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯的为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。

解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时翻译者，将字节码文件中的内容翻译为对应平台的本地机器指令执行。当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器在记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

现在基于解释器执行已经沦落为低效的代名词，为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫做即时编译的技术（JIT）。即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译成机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度提升。

HotSpot虚拟机采用的是解释器和即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器能够相互协作，各自取长补短，尽力去选择最合适的的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。

既然HotSpot虚拟机中已经内置JIT编译器了，为什么还要使用解释器拖累程序的执行性能呢？
当程序启动后，计时器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。
编译器要想发挥作用，把边带变异成本地代码，需要一定的执行时间，但编译为本地代码后，执行效率更高。
当虚拟机启动的时候，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。并且随着程序执行时间的推移，即时编译器逐渐发挥作用，根据热点探测功能，将有价值的字节码便以为本地机器指令。以换取更高的程序执行效率。
对于服务端应用来讲，启动时间并非是关注重点，但对于看重启动时间的应用场景或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一个平衡点。在此模式下，当Java虚拟机启动时，解释器可以首先发挥作用，而不必瞪大即使编译器全部编译完成后再执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。锁着时间的推移，编译器发挥作用，把越来越多的代码变异成本地代码，获取更高的执行效率。同时，解释执行在编译期进行几经优化不成立的时候，作为编译期的逃生门，也就是后备方案。

JIT编译器的存在
在阿里团队有这样一个案例，机器在热机状态（运行一段时间的状态）可以承受的负载要大于冷机状态（刚运行的状态），如果以热机状态的流量进行切流，可能使处于冷机状态的服务器因无法承载流量而假死。在生产环境发布过程中，以分批的方式进行发布，根据机器数量划分成多个批次，每个批次的机器数之多占到整个集群的1/8。但是如果在发布的时候错误的发成了两批次，在热机状态下正常情况一般的机器可以勉强承受流量。但由于刚启动的JVM是解释执行，还没有进行热点代码统计和JIT动态编译，导致机器启动之后，当前1/2发布成功的服务器马上全部宕机，此故障说明了JIT的存在。

热点代码及探测方式

是否需要启动JIT编译器将字节码直接便以为对应平台的本地机器指令，则需要根据代码被调用执行的频率而定。关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为热点代码。JIT变歧义在运行时会针对那些频繁被调用的热点代码做出深度优化，将其直接便以为对应平台的本地机器指令，以此医生Java程序的执行性能。

• 一个被多次调用的方法或者是一个方法体内循环次数较多的循环体都可以被称之热点代码，因此都可以通过JIT 编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之后栈上替换（OSR）.
• 一个方法执行多少次，循环体执行多少次才可以达到这个标准？必然需要一个明确的阈值，JIT编译器才会将这些热点代码便以为本地机器指令执行。这里主要依靠热点探测功能。
• 目前HotSpot虚拟机采用的热点探测方式是基于计数器的热点探测。
• 采用基于计数器的热点探测，HotSpot将会为每一个方法都建议2个不同类型的计数器，分别为方法调用计数器和会变计数器
  • 方法调用计数器用于统计方法的调用次数。
  • 回边计数器则用于统计循环体执行的循环次数。
• 这个计数器就用于统计方法被条用的次数，他的默认阈值在client模式下是1500次，在server模式下是10000次。超过这个阈值就会出发JIT编译。
• 这个阈值可以通过虚拟机参数-XX:CompileThreshold来认为设定。
• 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，则优先使用变异后的本地大码来执行。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+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。如果已经超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。
  

热度衰减

• 如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率。即一段时间之后方法被盗用的次数。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减，而这段时间就称为此方法同济的半衰周期。
• 进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数-XX:-UseCounterDecay来关闭热度衰减，让方法计数器同济方法调用的绝对次数，这样，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会变异成本地代码。
• 可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

回边计数器

它的作用是同济一个方法中循环体代码执行的次数，在季节吗中遇到控制流向后跳转的指令称为回边，显然，极力会变计数器统计的目的就是为了触发OSR编译。

设置程序执行方式