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编译概述

编译器是一个相对复杂且专业的领域，需要一些先验理论知识。本文将简单讨论编译理论的基本概念，也会逐一讨论HotSpot VM本身涉及的许多特设的编译技术，为后面的篇章打下理论基础。

编译器简介

传统的编译方法可分为即时（Just In Time，JIT）编译和提前（Ahead Of Time，AOT）编译。JIT和AOT没有权威的定义，不过一般来说，AOT指在程序运行前完成编译，AOT编译可以生成可执行机器代码（如常见的C/C++、Rust等语言的编译），也可以提前生成较高级的字节码等中间表示（如javac将Java程序AOT编译为JVM字节码）。通常AOT编译只需由开发者编译一次，后续程序即可多次执行。

JIT指在程序启动后、执行前进行编译。所以程序每次执行时都要进行一次或多次JIT编译。JIT可以充分使用运行时收集到的数据，如receiver的类型、if分支计数等，然后进行PGO优化（Profiling-guidedOptimization）使程序运行性能达到峰值。但是由于JIT的编译发生在程序执行过程中，需要运行时的内存、CPU资源，更重要的是JIT的编译时间也会影响程序执行时间，所以在设计JIT编译器时不能只考虑被编译程序的执行效率，编译效率（或称为JIT吞吐量）也是重要的考量标准，甚至影响整个编译器的设计架构。

AOT又叫静态编译，是指在运行前编译源代码，无须运行时开销，同时可以应用很多重量级的耗时优化，使编译后的机器代码能够快速启动，占用内存较小。但是AOT缺少程序运行时的信息，对某些程序的峰值性能优化有限。

综合上述内容可知，JIT和AOT各有千秋，在选择编译方法时需要综合考虑语言特性、类型系统等，在一些情况下，还可以使用两者的组合。

运行时代码生成

在讨论即时编译器前，首先要清楚一个重要问题：如何即时编译？要实现即时编译，需要一种动态生成可执行代码。冯·诺依曼架构将数据和指令都储存在存储器中，这种架构可以将可执行指令视作数据写入内存，然后将那片内存的数据视作指令供CPU执行，简单的示例如代码清单7-1所示：

代码清单7-1 动态代码生成技术

#include <cstdio>
#include <sys/mman.h>
#include <cstring>
// macOS + x64 + clang
int main(){
// 机器代码
constexpr unsigned char code[]={
0x55,0x48,0x89,0xe5,0x89,0x7d,0xfc,0x89,0x75,0xf8,
0x8b,0x75,0xfc,0x03,0x75,0xf8,0x89,0xf0,0x5d,0xc3,
};
constexpr int ncode = sizeof(code)/sizeof(code[0]);
// 分配内存，设置为可执行权限
void* mem = mmap(0, ncode, PROT_WRITE | PROT_EXEC,
MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
memcpy(mem,code,ncode);
// 将分配的内存地址转换为函数auto add_fun= (int(*)(int,int))mem;
// 调用加法函数
printf("%d",add_fun(3,2));
munmap(mem,ncode);
return 0;
}

代码清单7-1展示了运行时代码生成的原理：先分配一片内存，然后将其设置为可执行，接着向内存中写入机器代码，最后将内存地址强制类型转换为函数指针再调用它。代码清单7-1中的code就是需要运行时生成的机器代码，它对应加法函数，如代码清单7-2所示：

代码清单7-2 code的原始面貌

55 pushq %rbp ; 函数序幕
48 89 e5 movq %rsp, %rbp
89 7d fc movl %edi, -4(%rbp）; 获取第一个参数
89 75 f8 movl %esi, -8(%rbp）; 获取第二个参数
8b 75 fc movl -4(%rbp), %esi
03 75 f8 addl -8(%rbp), %esi; 两个参数相加
89 f0 movl %esi, %eax ; 结果放入eax
5d popq %rbp ; 函数收尾
c3 retq

如果直接手写二进制代码，显得太过“硬核”，同时代码也会完全不可维护、不可修改，所以在HotSpot VM中，生成机器代码依赖于宏汇编器MacroAssembler，它使用的是一种类似汇编的风格，如代码清单7-3所示：

代码清单7-3 HotSpot VM中的运行时代码生成

__ mov(rbp); // 生成55
__ mov(rsp,rbp); // 生成48 89 e5
__ mov(edi,Address(rbp,-4)); // 生成89 7d fc
...

无须硬核手写机器代码，只需要写出汇编形式，宏汇编器就可以为它生成对应的机器代码。除了即时编译器外，第5章的解释器生成也涉及动态代码生成技术，只是它是在虚拟机创建时初始化解释器的各个例程。动态代码生成的另一个常见场景是编写shellcode。

JIT编译器

高性能从来都是虚拟机绕不开的话题，为此，JVM在性能方面做了很多努力。早期虚拟机只有字节码解释器，后面实现了模板解释器，现在是模板解释器和即时编译器混合。HotSpot VM包含两个即时编译器：客户端即时编译器（C1）和服务端即时编译器（C2）。

C1面向客户端程序，需要快速响应用户请求，它编译速度快，占用资源少，产出代码性能适中。C2面向长期运行的服务端程序，允许虚拟机在编译上花更多时间以换取峰值运行性能。它使用了更多激进的优化以提高性能，包括基于类层次分析的内联、快速路径慢速路径区分、全局值编号、常量传播、指令选择、图着色寄存器分配和窥孔优化等。这些优化使得C2编译时间更长，占用资源更多，但产出代码性能极佳。

AOT编译器

即时编译本身是很快的，但是如果Java程序比较大，可能会花费更多时间在代码预热上，因为被即时编译的前提条件是方法的执行足够频繁。为了了解方法执行频率，模板解释器会进行方法调用计数和回边计数，这就会占用部分内存空间，对于一些不常使用的Java方法来说是不必要的，如果能提前编译掉这些方法，就可以省去运行时性能计数开销，所以，AOT编译器应运而生。

Java 9包含了仅Linux可用的一个实验性质的AOT编译器jaotc[1]，Java 11后的jaotc支持所有操作系统。jaotc使用Graal编译器作为后端，它可以在虚拟机启动前将Java类编译成ELF格式的共享库，然后在虚拟机启动后加载共享库。虚拟机将共享库看作Code Cache的补充数据，当加载Java类时，虚拟机查找共享库看能否找到已经存在的方法，如果找到就将它们关联起来。jaotc编译产出的共享库的代码和普通JIT编译后的代码一样，加载到虚拟机后可能发生退优化、类卸载等行为。对于一些长期运行的服务端程序，它们可能经历和JIT编译器相同的生命周期。

除此之外，目前jaotc的限制较多，能编译的Java代码和使用场景也比较有限，一个更好的选择是Graal VM平台的Substrate VM。

JVMCI JIT编译器

HotSpot VM使用C++语言，所以C2也是C++写成的。使用C++没什么本质上的错误，但却有一些麻烦。C++是一门不安全的语言，这意味着C++的错误可以造成虚拟机崩溃，同时由于代码年代久远，用C++写的C2变得很难维护，很难扩展。

编译器组件和垃圾回收器等组件不同，它无须一些低级语言特性，本质是将一个byte[]转换为另一个byte[]。也许是Java比C++更安全，也许是探寻编译的本质，JEP 243提案通过了基于Java语言的JVM编译器接口JVMCI。通过JVMCI接口可以使用Java语言编写即时编译器，然后“外挂式”地植入虚拟机来代替C2编译器。

JVMCI只是一个接口，它需要一个具体的实现者。HotSpot VM自带的JVMCI实现和jaotc一样也要用到Graal编译器，需要附加虚拟机参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler -XX:+EnableJVMCI开启。

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