Java性能优化系列之-JIT即时编译器与Java内存管理机制
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发布时间：2024-10-03 09:02
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时间：2024-10-20 01:38
即时编译器不是虚拟机必需的部分，Java 虚拟机规范并没有规定 Java 虚拟机内必须要有即时编译器的存在，更没有限定或指导即时编译器应该如何去实现。但是，即时编译器编译性能的好坏、代码优化程度的高低却是衡量一款商用虚拟机优秀与否的最关键的指标之一。它也是虚拟机中最核心且最能体现虚拟机技术水平的部分。
目前主流的 HotSpot 虚拟机默认采用一个解释器和其中一个编译器直接配合的方式工作，程序使用哪个编译器，取决于虚拟机运行的模式。在 HotSpot 中，解释器和 JIT 即时编译器是同时存在的，他们是 JVM 的两个组件。对于不同类型的应用程序，用户可以根据自身的特点和需求，灵活选择是基于解释器运行还是基于 JIT 编译器运行。HotSpot 为用户提供了几种运行模式供选择，可通过参数设定，分别为：解释模式、编译模式、混合模式，HotSpot 默认是混合模式，需要注意的是编译模式并不是完全通过 JIT 进行编译，只是优先采用编译方式执行程序，但是解释器仍然要在编译无法进行的情况下介入执行过程。
字节码是指平常所了解的 .class 文件，Java 代码通过 javac 命令编译成字节码。机器码和本地代码都是指机器可以直接识别运行的代码，也就是机器指令。字节码是不能直接运行的，需要经过 JVM 解释或编译成机器码才能运行。Java 源码转换成字节码的过程是由 JVM 执行引擎来完成的。
JVM 的类加载是通过 ClassLoader 及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述。Bootstrap ClassLoader 负责加载 $JAVA_HOME 中 jre/lib/rt.jar 里所有的 class，由 C++ 实现，不是 ClassLoader 子类。Extension ClassLoader 负责加载 Java 平台中扩展功能的一些 jar 包，包括 $JAVA_HOME 中 jre/lib/*.jar 或 -Djava.ext.dirs 指定目录下的 jar 包。App ClassLoader 负责记载 classpath 中指定的 jar 包及目录中 class。Custom ClassLoader 属于应用程序根据自身需要自定义的 ClassLoader，如 Tomcat、jboss 都会根据 J2EE 规范自行实现 ClassLoader。
JVM 是基于栈的体系结构来执行 class 字节码的。线程创建后，都会产生程序计数器（PC）和栈（Stack），程序计数器存放下一条要执行的指令在方法内的偏移量，栈中存放一个个栈帧，每个栈帧对应着每个方法的每次调用，而栈帧又是有局部变量区和操作数栈两部分组成，局部变量区用于存放方法中的局部变量和参数，操作数栈中用于存放方法执行过程中产生的中间结果。
编译器：把源程序的每一条语句都编译成机器语言，并保存成二进制文件，这样运行时计算机可以直接以机器语言来运行此程序，速度很快。解释器：只在执行程序时，才一条一条的解释成机器语言给计算机来执行，所以运行速度是不如编译后的程序运行的快的。
Java 通过 javac 命令将 Java 程序的源代码编译成 Java 字节码，即我们常说的 class 文件。这是我们通常意义上理解的编译。字节码并不是机器语言，要想让机器能够执行，还需要把字节码翻译成机器指令。这个过程是 Java 虚拟机做的，这个过程也叫编译。（实际上就是解释，引入 JIT 之后也存在编译）
Java 不完全是通过编译来生成机器码的，还结合了解释执行，那如何判断那些代码是使用编译执行还是解释执行呢？定义：当虚拟机发现某个方法或代码块的运行特别频繁时，就会把这些代码认定为“热点代码”。
HotSpot 使用第二种 - 基于计数器的热点探测方法。方法调用计数器触发即时编译的流程：计数器的种类（两种共同协作）了解了热点代码和计数器有什么用呢？即时编译是需要达到某种条件才会触发的。
解释器与编译器两者各有优势。解释器：当程序需要迅速启动和执行的时候，解释器可以首先发挥作用，省去编译的时间，立即执行。编译器：在程序运行后，随着时间的推移，编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码之后，可以获取更高的执行效率。
HotSpot 虚拟机启用分层编译的策略。分层编译根据编译器编译、优化的规模与耗时，划分出不同的编译层次：实施分层编译后，Client Compiler 和 Server Compiler 将会同时工作，许多代码都可能会被多次编译看，用 Client Compiler 获取更高的编译速度，用 Server Compiler 获取更好的编译质量，在解释执行的时候也无须再承担收集性能监控信息的任务。
Java程序员有一个共识，以编译方式执行本地代码比解释方式更快，之所以有这样的共识，除去虚拟机解释执行字节码时额外消耗时间的原因外，还有一个很重要的原因就是虚拟机设计团队几乎把代码的所有优化措施都集中在了即时编译器之中，因此一般来说，即时编译器生成的本地代码比Javac产生的字节码更加优秀！
内联优化是：一是去除方法调用的成本（如建立栈帧等），二是为了其他优化建立良好的基础。方法的调用过程： (1) 首先会有个执行栈，存储目前所有活跃的方法，以及它们的本地变量和参数； (2) 当一个新的方法被调用了，一个新的栈帧会被加到当前线程的栈顶，分配的本地变量和参数会存储在这个栈帧中； (3) 跳到目标方法代码执行； (4) 方法返回的时候，本地方法和参数会被销毁，栈顶被移除； (5) 返回原来地址执行；
公共子表达式消除：如果一个表达式 E 已经计算过了，并且从先前的计算到现在 E 中所有变量的值都没有发生变化，那么 E 的这次出现就成为了公共子表达式！例如：int d = (c + b) * 12 + a + (a + b * c);
Java语言是一门动态安全的语言。如果有一个数组 foo[]，在 Java 语言中访问数组元素 foo[i] 的时候系统将会自动进行上下界的范围检查，即检查 i 必须满足 i >=0 && i < foo.length 这个条件，否则将抛出一个运行时异常：java.lang.ArrayIndexOutOfBoundsException。
逃逸分析的基本行为就是分析对象动态作用域：当一个对象在方法中被定以后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，称为方法逃逸。甚至还有其可能被外部线程访问到，譬如赋值给类变量或可以在其他线程中访问的实例变量，称为线程逃逸！
Java内存模型结构分为线程私有内存区：程序计数器、本地方法栈、虚拟机栈。线程共享内存区：Java 堆、方法区。对象实例化分析：这段代码的执行会涉及 Java 栈、Java 堆、方法区三个最重要的内存区域。假设该语句出现在方法体中，obj 会作为引用类型（reference）的数据保存在 Java 栈的本地变量表中，在 Java 堆中保存该引用的实例化对象。
