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你编写的Java代码是咋跑起来的?

你编写的Java代码是咋跑起来的?

如果你是一名 Java 开发人员,你肯定指定 Java 代码有很多种不同的运行方式。比如说可以在开发工具(IDEA、Eclipse等)中运行,可以双击执行 jar 文件运行,也可以在命令行中运行,甚至可以在网页(比如各种 OJ)中运行。当然,这些执行方式都离不开 JRE(Java 运行时环境)。

JRE 包含运行 Java 程序的必需组件,包括 JVM(Java 虚拟机)以及 Java 核心类库等。Java 程序员经常接触到的 JDK(Java 开发工具包)同样包含了 JRE,并且还附带了一系列开发、诊断工具。

本篇文章主要针对以下两个问题和大家一起探讨:

  1. 为什么需要 JVM?
  2. JVM 是怎样运行 Java 代码的呢?

1|0为什么需要 JVM?

 

Java 的一个非常重要的特点就是与平台的无关性,而使用 JVM 是实现这一特点的关键。Java 作为一门高级程序语言,语法复杂,抽象程度高。因此,直接在硬件上运行这种复杂的程序并不现实。所以在运行 Java 程序之前,我们需要对其进行转换。

设计一个面向 Java 语言特性的虚拟机,并通过编译器将 Java 程序转换成该虚拟机所能识别的指令序列(因为 Java 字节码指令的操作码(opcode)被固定为一个字节,故又称 Java 字节码)。

JVM 一般是在各个现有平台(如 Windows、Linux)上提供软件实现,这样可以使一旦一个程序被转换成 Java 字节码,那么便可以在不同平台上的虚拟机实现里运行(一次编写,到处运行)。

JVM 另外一个好处是带有托管环境(Managed Runtime),托管环境能够代替处理一些代码中冗长而且容易出错的部分,其中包括自动内存管理与垃圾回收(GC)。

另外,托管环境还提供了诸如数组越界、动态类型、安全权限等等的动态检测,使我们免于书写这些无关业务逻辑的代码。

2|0JVM 是怎样运行 Java 代码的呢?

 

JVM 具体是怎么运行 Java 字节码的呢?下面我们一起来看一下:

从 JVM 来看,执行 Java 代码首先需要将它编译而成的 class 文件加载到 JVM 中。加载后的 Java 类会被存放于方法区(Method Area)中。实际运行时,JVM 会执行方法区内的代码。

JVM 会在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据,JVM 会将栈细分为面向 Java 方法的 Java 方法栈,面向本地方法(用 C++ 写的 native 方法)的本地方法栈,以及存放各个线程执行位置的 PC 寄存器。

在运行过程中,每当调用进入一个 Java 方法,JVM 会在当前线程的 Java 方法栈中生成一个栈帧,用以存放局部变量以及字节码的操作数。栈帧的大小是提前计算好的,而且 JVM 不要求栈帧在内存空间里连续分布。

当退出当前执行的方法时,不管是正常返回还是异常返回,JVM 均会弹出当前线程的当前栈帧,并将之舍弃。

从硬件视角来看,Java 字节码无法直接执行。因此,JVM 需要将字节码翻译成机器码。

在 HotSpot 里面,上述翻译过程有两种形式:第一种是解释执行(interpreter),即逐条将字节码翻译成机器码并执行;第二种是即时编译(Just-In-Time compilation,JIT),即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。

前者的优势在于无需等待编译,而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot 默认采用混合模式,综合了解释执行和即时编译两者的优点。它会先解释执行字节码,而后将其中反复执行的热点代码,以方法为单位进行即时编译。

整个 Java 代码执行过程如下:

  1. 使用 javac 把 .java 源文件编译为字节码(文件后缀名为 .class)
  2. 字节码经过 JIT 环境变量进行判断,是否属于热点代码(多次调用的方法或循环体)
  3. 热点代码使用 JIT 编译为可执行的机器码
  4. 非热点代码使用解释器解释执行所有字节码

其中,在运行过程中会被即时编译的热点代码有两类:

  1. 被多次调用的方法
  2. 被多次执行的循环体

针对第一类,编译器会将整个方法作为编译对象,这也是标准的 JIT 编译方式。对于第二类是由循环体出发的,但是编译器依然会以整个方法作为编译对象,因为发生在方法执行过程中,称为栈上替换。

HotSpot 采用了多种技术来提升启动性能以及峰值性能,刚刚提到的即时编译便是其中最重要的技术之一。

即时编译建立在程序符合二八定律的假设上,也就是百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。

对于占据大部分的不常用的代码,我们无需耗费时间将其编译成机器码,而是采取解释执行的方式运行;另一方面,对于仅占据小部分的热点代码,我们则可以将其编译成机器码,以达到理想的运行速度。

为了满足不同用户场景的需要,HotSpot 内置了多个即时编译器:C1、C2。之所以引入多个即时编译器,是为了在编译时间和生成代码的执行效率之间进行取舍。

  • C1 (Client 编译器)面向的是对启动性能有要求的客户端 GUI 程序,采用的优化手段相对简单,因此编译时间较短。
  • C2 (Server 编译器)面向的是对峰值性能有要求的服务器端程序,采用的优化手段相对复杂,因此编译时间较长,但同时生成代码的执行效率较高。

从 Java 7 开始,HotSpot 默认采用分层编译的方式:热点方法首先会被 C1 编译,而后热点方法中的热点会进一步被 C2 编译。

为了不干扰应用的正常运行,HotSpot 的即时编译是放在额外的编译线程中进行的。HotSpot 会根据 CPU 的数量设置编译线程的数目,并且按 1:2 的比例配置给 C1 及 C2 编译器。

在计算资源充足的情况下,字节码的解释执行和即时编译可同时进行。编译完成后的机器码会在下次调用该方法时启用,以替换原本的解释执行。

其中判断一段代码是否为热点代码,是不是需要触发即时编译,这样的行为称为热点探测(Hot Spot Detection),探测算法有两种:

  1. 基于采样的热点探测(Sample Based Hot Spot Detection):虚拟机会周期的对各个线程栈顶进行检查,如果某些方法经常出现在栈顶,这个方法就是热点方法。优点是实现简单、高效,很容易获取方法调用关系。缺点是很难确认方法的 reduce,容易受到线程阻塞或其他外因扰乱。
  2. 基于计数器的热点探测(Counter Based Hot Spot Detection):为每个方法(甚至是代码块)建立计数器,执行次数超过阈值就认为是热点方法。优点是统计结果精确严谨。缺点是实现麻烦,不能直接获取方法的调用关系。

HotSpot 使用的是第二种-基于计数器的热点探测,并且有两类计数器:方法调用计数器(Invocation Counter)和回边计数器(Back Edge Counter)。

3|0总结

 

这篇文章主要介绍了为什么需要 JVM 以及 JVM 是怎样运行 Java 代码的。

为什么需要 JVM:

  1. 提供了可移植性。一次编译,到处执行。
  2. 提供了代码托管的环境,代替处理部分冗长而且容易出错的部分。

JVM 将运行时内存区域划分为五个部分,分别为方法区、堆、PC 寄存器、Java 方法栈和本地方法栈。Java 程序编译而成的 class 文件,需要先加载至方法区中,方能在 JVM 中运行。

为了提高运行效率,HotSpot 虚拟机采用的是一种混合执行的策略,会解释执行 Java 字节码,然后会将其中反复执行的热点代码,以方法为单位进行即时编译,翻译成机器码后直接运行在底层硬件之上。

HotSpot 装载了多个不同的即时编译器,以便在编译时间和生成代码的执行效率之间做取舍。

判断热点代码的探测算法包括基于采样和基于计数器两种,HotSpot 采用基于计数器的热点探测,计数器又分为方法调用计数器和回边计数器。

作  者武培轩
出  处:https://www.cnblogs.com/wupeixuan

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