JVM 解释和编译指南

通过理解解释、即时编译和预先编译之间的区别，有效地使用它们。

Java 是一种跨平台的编程语言。程序源代码会被编译为字节码 bytecode ，然后字节码在运行时被转换为机器码 machine code 。解释器 interpreter 在物理机器上模拟出的抽象计算机上执行字节码指令。即时 just-in-time （JIT）编译发生在运行期，而预先 ahead-of-time （AOT）编译发生在构建期。

本文将说明解释器、JIT 和 AOT 分别何时起作用，以及如何在 JIT 和 AOT 之间权衡。

源代码、字节码、机器码

应用程序通常是由 C、C++ 或 Java 等编程语言编写。用这些高级编程语言编写的指令集合称为源代码。源代码是人类可读的。要在目标机器上执行它，需要将源代码转换为机器可读的机器码。这个转换工作通常是由编译器 compiler 来完成的。

然而，在 Java 中，源代码首先被转换为一种中间形式，称为字节码。字节码是平台无关的，所以 Java 被称为平台无关编程语言。Java 编译器 javac 将源代码转换为字节码。然后解释器解释执行字节码。

下面是一个简单的 Java 程序, Hello.java：

//Hello.java
public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
         System.out.println("Inside Hello World!");
    }
}

使用 javac 编译它，生成包含字节码的 Hello.class 文件。

$ javac Hello.java
$ ls
Hello.class  Hello.java

现在，使用 javap 来反汇编 Hello.class 文件的内容。使用 javap 时如果不指定任何选项，它将打印基本信息，包括编译这个 .class 文件的源文件、包名称、公共和受保护字段以及类的方法。

$ javap Hello.class
Compiled from "Hello.java"
public class Hello {
    public Hello();
    public static void main(java.lang.String[]);
}

要查看 .class 文件中的字节码内容，使用 -c 选项：

$ javap -c Hello.class
Compiled from "Hello.java"
public class Hello {
  public Hello();
        Code:
           0: aload_0
           1: invokespecial #1                      // Method java/lang/Object."<init>":()V
           4: return

  public static void main(java.lang.String[]);
        Code:
           0: getstatic         #2                      // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
           3: ldc               #3                      // String Inside Hello World!
           5: invokevirtual #4                      // Method    
java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
           8: return
}

要获取更详细的信息，使用 -v 选项：

$ javap -v Hello.class

解释器，JIT 和 AOT

解释器负责在物理机器上模拟出的抽象计算机上执行字节码指令。当使用 javac 编译源代码，然后使用 java 执行时，解释器在程序运行时运行并完成它的目标。

$ javac Hello.java
$ java Hello
Inside Hello World!

JIT 编译器也在运行期发挥作用。当解释器解释 Java 程序时，另一个称为运行时分析器 profiler 的组件将静默地监视程序的执行，统计各部分代码被解释的次数。基于这些统计信息可以检测出程序的热点 hotspot ，即那些经常被解释的代码。一旦代码被解释次数超过设定的阈值，它们满足被 JIT 编译器直接转换为机器码的条件。所以 JIT 编译器也被称为分析优化的编译器。从字节码到机器码的转换是在程序运行过程中进行的，因此称为即时编译。JIT 减少了解释器将同一组指令模拟为机器码的负担。

AOT 编译器在构建期编译代码。在构建时将需要频繁解释和 JIT 编译的代码直接编译为机器码可以缩短 Java 虚拟机 Java Virtual Machine （JVM）的预热 warm-up 时间。（LCTT 译注：Java 程序启动后首先字节码被解释执行，此时执行效率较低。等到程序运行了足够的时间后，代码热点被检测出来，JIT 开始发挥作用，程序运行效率提升。JIT 发挥作用之前的过程就是预热。）AOT 是在 Java 9 中引入的一个实验性特性。jaotc 使用 Graal 编译器（它本身也是用 Java 编写的）来实现 AOT 编译。

以 Hello.java 为例：

//Hello.java
public class Hello {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Inside Hello World!");
    }
}

$ javac Hello.java
$ jaotc --output libHello.so Hello.class
$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:AOTLibrary=./libHello.so Hello
Inside Hello World!

解释和编译发生的时机

下面通过例子来展示 Java 在什么时候使用解释器，以及 JIT 和 AOT 何时参与进来。这里有一个简单的程序 Demo.java :

//Demo.java
public class Demo {
    public int square(int i) throws Exception {
        return(i*i);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
            System.out.println("call " + Integer.valueOf(i));
            long a = System.nanoTime();
            Int r = new Demo().square(i);
            System.out.println("Square(i) = " + r);
            long b = System.nanoTime();
            System.out.println("elapsed= " + (b-a));
            System.out.println("--------------------------------");
        }
    }
}

在这个程序的 main() 方法中创建了一个 Demo 对象的实例，并调用该实例的 square()方法，然后显示 for 循环迭代变量的平方值。编译并运行它：

$ javac Demo.java
$ java Demo
1 iteration
Square(i) = 1
Time taken= 8432439
-----------------------------2 iteration
Square(i) = 4
Time taken= 54631
-----------------------------.
.
.
-----------------------------10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 66498
-----------------------------

上面的结果是由谁产生的呢？是解释器，JIT 还是 AOT？在目前的情况下，它完全是通过解释产生的。我是怎么得出这个结论的呢？只有代码被解释的次数必须超过某个阈值时，这些热点代码片段才会被加入 JIT 编译队列。只有这时，JIT 编译才会发挥作用。使用以下命令查看 JDK 11 中的该阈值：

$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep CompileThreshold
 intx CompileThreshold     = 10000                                      {pd product} {default}
[...]
openjdk version "11.0.13" 2021-10-19
OpenJDK Runtime Environment 18.9 (build 11.0.13+8)
OpenJDK 64-Bit Server VM 18.9 (build 11.0.13+8, mixed mode, sharing)

上面的输出表明，一段代码被解释 10,000 次才符合 JIT 编译的条件。这个阈值是否可以手动调整呢？是否有 JVM 标志可以指示出方法是否被 JIT 编译了呢？答案是肯定的，而且有多种方式可以达到这个目的。

使用 -XX:+PrintCompilation 选项可以查看一个方法是否被 JIT 编译。除此之外，使用 -Xbatch 标志可以提高输出的可读性。如果解释和 JIT 同时发生，-Xbatch 可以帮助区分两者的输出。使用这些标志如下：

$ java -Xbatch  -XX:+PrintCompilation  Demo
         34        1        b  3           java.util.concurrent.ConcurrentHashMap::tabAt (22 bytes)
         35        2         n 0           jdk.internal.misc.Unsafe::getObjectVolatile (native)   
         35        3        b  3           java.lang.Object::<init> (1 bytes)
[...]
        210  269         n 0           java.lang.reflect.Array::newArray (native)   (static)
        211  270        b  3           java.lang.String::substring (58 bytes)
[...]
-----------------------------10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 50150
-----------------------------

注意，上面命令的实际输出太长了，这里我只是截取了一部分。输出很长的原因是除了 Demo 程序的代码外，JDK 内部类的函数也被编译了。由于我的重点是 Demo.java 代码，我希望排除内部包的函数来简化输出。通过选项 -XX:CompileCommandFile 可以禁用内部类的 JIT：

$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler Demo

在选项 -XX:CompileCommandFile 指定的文件 hotspot_compiler 中包含了要排除的包：

$ cat hotspot_compiler
quiet
exclude java/* *
exclude jdk/* *
exclude sun/* *

第一行的 quiet 告诉 JVM 不要输出任何关于被排除类的内容。用 -XX:CompileThreshold 将 JIT 阈值设置为 5。这意味着在解释 5 次之后，就会进行 JIT 编译：

$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler 
-XX:CompileThreshold=5 Demo
        47      1       n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(LLLLLL)L (native)   
           (static)
        47      2       n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(LLLLL)L (native)   
        47      3       n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LLLLLLL)L (native)   
           (static)
        48      4       n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(L)I (native)   (static)
        48      5       n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic()I (native)   
        48      6       n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LL)I (native)   
           (static)
[...]
        1 iteration
        69   40         n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(ILIIL)I (native)   
           (static)
[...]
Square(i) = 1
        78   48         n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(ILIJL)I (native)   
(static)
        79   49         n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(ILIJ)I (native)   
[...]
        86   54         n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(J)L (native)   
        87   55         n 0     java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LJL)L (native)   
(static)
Time taken= 8962738
-----------------------------2 iteration
Square(i) = 4
Time taken= 26759
-----------------------------
10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 26492
-----------------------------

好像输出结果跟只用解释时并没有什么区别。根据 Oracle 的文档，这是因为只有禁用 TieredCompilation 时 -XX:CompileThreshold 才会生效：

$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler 
-XX:-TieredCompilation -XX:CompileThreshold=5 Demo
124     1       n       java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(LLLLLL)L (native)   (static)
127     2       n       java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(LLLLL)L (native)   
[...]
1 iteration
        187   40        n       java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(ILIIL)I (native)   (static)
[...]
(native)   (static)
        212   54        n       java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(J)L (native)   
        212   55        n       java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LJL)L (native)   (static)
Time taken= 12337415
[...]
-----------------------------4 iteration
Square(i) = 16
Time taken= 37183
-----------------------------5 iteration
        214   56        b       Demo::<init> (5 bytes)
        215   57        b       Demo::square (16 bytes)
Square(i) = 25
Time taken= 983002
-----------------------------6 iteration
Square(i) = 36
Time taken= 81589
[...]
10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 52393

可以看到在第五次迭代之后，代码片段被 JIT 编译了：

-----------------------------5 iteration
        214   56        b       Demo::<init> (5 bytes)
        215   57        b       Demo::square (16 bytes)
Square(i) = 25
Time taken= 983002
-----------------------------

可以看到，与 square() 方法一起，构造方法也被 JIT 编译了。在 for 循环中调用 square() 之前要先构造 Demo 实例，所以构造方法的解释次数同样达到 JIT 编译阈值。这个例子说明了在解释发生之后何时 JIT 会介入。

要查看编译后的代码，需要使用 -XX:+PrintAssembly 标志，该标志仅在库路径中有反汇编器时才起作用。对于 OpenJDK，使用 hsdis 作为反汇编器。下载合适版本的反汇编程序库，在本例中是 hsdis-amd64.so，并将其放在 Java_HOME/lib/server 目录下。使用时还需要在 -XX:+PrintAssembly 之前增加 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions 选项。否则，JVM 会给你一个警告。

完整命令如下：

$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler  -XX:-TieredCompilation -XX:CompileThreshold=5 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions  -XX:+PrintAssembly Demo
[...]
5 iteration
        178   56        b       Demo::<init> (5 bytes)
Compiled method (c2)    178   56                Demo::<init> (5 bytes)
 total in heap  [0x00007fd4d08dad10,0x00007fd4d08dafe0] = 720
 relocation     [0x00007fd4d08dae88,0x00007fd4d08daea0] = 24
[...]
 handler table  [0x00007fd4d08dafc8,0x00007fd4d08dafe0] = 24
[...]
 dependencies   [0x00007fd4d08db3c0,0x00007fd4d08db3c8] = 8
 handler table  [0x00007fd4d08db3c8,0x00007fd4d08db3f8] = 48
-------------------------------------------------------------------Demo.square(I)I  [0x00007fd4d08db1c0, 0x00007fd4d08db2b8]  248 bytes
[Entry Point]
[Constants]
  # {method} {0x00007fd4b841f4b0} &apos;square&apos; &apos;(I)I&apos; in &apos;Demo&apos;
  # this:       rsi:rsi   = &apos;Demo&apos;
  # parm0:      rdx     = int
  #             [sp+0x20]  (sp of caller)
[...]
[Stub Code]
  0x00007fd4d08db280: movabs $0x0,%rbx          ;   {no_reloc}
  0x00007fd4d08db28a: jmpq   0x00007fd4d08db28a  ;   {runtime_call}
  0x00007fd4d08db28f: movabs $0x0,%rbx          ;   {static_stub}
  0x00007fd4d08db299: jmpq   0x00007fd4d08db299  ;   {runtime_call}
[Exception Handler]
  0x00007fd4d08db29e: jmpq   0x00007fd4d08bb880  ;   {runtime_call ExceptionBlob}
[Deopt Handler Code]
  0x00007fd4d08db2a3: callq  0x00007fd4d08db2a8
  0x00007fd4d08db2a8: subq   $0x5,(%rsp)
  0x00007fd4d08db2ad: jmpq   0x00007fd4d08a01a0  ;   {runtime_call DeoptimizationBlob}
  0x00007fd4d08db2b2: hlt    
  0x00007fd4d08db2b3: hlt    
  0x00007fd4d08db2b4: hlt    
  0x00007fd4d08db2b5: hlt    
  0x00007fd4d08db2b6: hlt    
  0x00007fd4d08db2b7: hlt    
ImmutableOopMap{rbp=NarrowOop }pc offsets: 96
ImmutableOopMap{}pc offsets: 112
ImmutableOopMap{rbp=Oop }pc offsets: 148 Square(i) = 25
Time taken= 2567698
-----------------------------6 iteration
Square(i) = 36
Time taken= 76752
[...]
-----------------------------10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 52888

我只截取了输出中与 Demo.java 相关的部分。

现在再来看看 AOT 编译。它是在 JDK9 中引入的特性。AOT 是用于生成 .so 这样的库文件的静态编译器。用 AOT 可以将指定的类编译成 .so 库。这个库可以直接执行，而不用解释或 JIT 编译。如果 JVM 没有检测到 AOT 编译的代码，它会进行常规的解释和 JIT 编译。

使用 AOT 编译的命令如下：

$ jaotc --output=libDemo.so Demo.class

用下面的命令来查看共享库的符号表：

$ nm libDemo.so

要使用生成的 .so 库，使用 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions 和 -XX:AOTLibrary：

$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:AOTLibrary=./libDemo.so Demo
1 iteration
Square(i) = 1
Time taken= 7831139
-----------------------------2 iteration
Square(i) = 4
Time taken= 36619
[...]
10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 42085

从输出上看，跟完全用解释的情况没有区别。为了确认 AOT 发挥了作用，使用 -XX:+PrintAOT：

$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:AOTLibrary=./libDemo.so -XX:+PrintAOT Demo
         28        1         loaded        ./libDemo.so  aot library
         80        1         aot[ 1]   Demo.main([Ljava/lang/String;)V
         80        2         aot[ 1]   Demo.square(I)I
         80        3         aot[ 1]   Demo.<init>()V
1 iteration
Square(i) = 1
Time taken= 7252921
-----------------------------2 iteration
Square(i) = 4
Time taken= 57443
[...]
10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 53586

要确认没有发生 JIT 编译，用如下命令：

$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -Xbatch -XX:+PrintCompilation  -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler -XX:-TieredCompilation  -XX:CompileThreshold=3 -XX:AOTLibrary=./libDemo.so -XX:+PrintAOT Demo
         19        1         loaded        ./libDemo.so  aot library
         77        1         aot[ 1]   Demo.square(I)I
         77        2         aot[ 1]   Demo.main([Ljava/lang/String;)V
         77        3         aot[ 1]   Demo.<init>()V
         77        2         aot[ 1]   Demo.main([Ljava/lang/String;)V   made not entrant
[...]
4 iteration
Square(i) = 16
Time taken= 43366
[...]
10 iteration
Square(i) = 100
Time taken= 59554

需要特别注意的是，修改被 AOT 编译了的源代码后，一定要重新生成 .so 库文件。否则，过时的的 AOT 编译库文件不会起作用。例如，修改 square() 方法，使其计算立方值：

//Demo.java
public class Demo {

    public int square(int i) throws Exception {
        return(i*i*i);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        for (int i = 1; i <= 10; i++) {
          System.out.println("" + Integer.valueOf(i)+" iteration");
          long start = System.nanoTime();
          int r= new Demo().square(i);
          System.out.println("Square(i) = " + r);
          long end = System.nanoTime();
          System.out.println("Time taken= " + (end-start));
          System.out.println("--------------------------------");
        }
    }
}

重新编译 Demo.java：

$ java Demo.java

但不重新生成 libDemo.so。使用下面命令运行 Demo：

$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler -XX:-TieredCompilation -XX:CompileThreshold=3 -XX:AOTLibrary=./libDemo.so -XX:+PrintAOT Demo
         20        1         loaded        ./libDemo.so  aot library
         74        1         n           java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(LLLLLL)L (native)   (static)
2 iteration
sqrt(i) = 8
Time taken= 43838
-----------------------------3 iteration
        137   56        b            Demo::<init> (5 bytes)
        138   57        b            Demo::square (6 bytes)
sqrt(i) = 27
Time taken= 534649
-----------------------------4 iteration
sqrt(i) = 64
Time taken= 51916
[...]
10 iteration
sqrt(i) = 1000
Time taken= 47132

可以看到，虽然旧版本的 libDemo.so 被加载了，但 JVM 检测出它已经过时了。每次生成 .class 文件时，都会在类文件中添加一个指纹，并在 AOT 库中保存该指纹。修改源代码后类指纹与旧的 AOT 库中的指纹不匹配了，所以没有执行 AOT 编译生成的原生机器码。从输出可以看出，现在实际上是 JIT 在起作用（注意 -XX:CompileThreshold 被设置为了 3）。

AOT 和 JIT 之间的权衡

如果你的目标是减少 JVM 的预热时间，请使用 AOT，这可以减少运行时负担。问题是 AOT 没有足够的数据来决定哪段代码需要预编译为原生代码。相比之下，JIT 在运行时起作用，却对预热时间有一定的影响。然而，它将有足够的分析数据来更高效地编译和反编译代码。

（题图：MJ/ed3e6e15-56c7-4c1d-aff1-84a225faeeeb）

via: https://opensource.com/article/22/8/interpret-compile-java

作者：Jayashree Huttanagoudar 选题：lkxed 译者：toknow-gh 校对：wxy

本文由 LCTT 原创编译，Linux中国荣誉推出

本文转载来自 Linux 中国: https://github.com/Linux-CN/archive

对这篇文章感觉如何？

太棒了

不错

爱死了

不太好

感觉很糟

Rain

雨落清风。心向阳

JVM 解释和编译指南

源代码、字节码、机器码

解释器，JIT 和 AOT

解释和编译发生的时机

AOT 和 JIT 之间的权衡

对这篇文章感觉如何？

TUXEDO Linux 游戏笔记本搭载 AMD Ryzen 7000 系列 CPU 重回市场

在 Linux 终端利用 Asciiquarium 打造海底世界

Leave a reply 取消回复

More in:Linux中国

如何通过 VLC 使用字幕

Unix 桌面：在 Linux 问世之前

Valve 对于 Ubuntu 的 Snap 版本的 Steam 并不满意：原因何在

Wine 9.0 发布，实验性地加入了 Wayland 驱动

中文操作系统论坛

关注 LinuxStory

开源学村

编程类开放书籍荟萃

如何杀死 Linux 中的僵尸进程

2022年，从学习Rust开始

5本学习 TeX 的最佳免费书籍

Makefile 简介

Linux 内核补丁提交初体验

使用 Linux 命令行解决Wordle 问题

Linux 的前世今生 – 1

特别关注

Самое Популярное Казино В России: Обзор Площадки «Azino777 Вход»

在 Ubuntu 24.04 上安装和配置 VNC 远程桌面

学校教师和计算机爱好者开发的法语 Linux 发行版：PrimTux 8 正式发布

LinuxStory

加入 LinuxStory 交流群组

投票调查

最热标签

源代码、字节码、机器码

解释器，JIT 和 AOT

解释和编译发生的时机

AOT 和 JIT 之间的权衡

分享

对这篇文章感觉如何？

You may also like

Leave a reply 取消回复

More in:Linux中国

中文操作系统论坛

关注 LinuxStory

开源学村

特别关注

最新文章

最热标签