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JVM_05 执行引擎(Execution Engine)

2021-01-13 14:01:48  阅读:37  来源: 互联网

标签:Engine 解释器 Execution Java 字节 05 编译 编译器 执行


总结写在最前面:
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①. 执行引擎概述
1>. 执行引擎概述

①. 执行引擎是Java虚拟机的核心组成部分之一

②. JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部,但字节码并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,它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM锁识别的字节码指令、符号表和其他辅助信息

③. 那么,如果想让一个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中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者

④. 执行引擎的工作过程 (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:输入的是字节码二进制流,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)

执行引擎在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
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
当然方法在执行的过程中,执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆区中的对象实例信息,以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。
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②. Java代码编译和执行过程
2>. Java代码编译和执行过程

①. 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,都需要经过下面图中的各个步骤:
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②. 什么是解释器( Interpreter),什么是JIT编译器?掌握
解释器: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(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
③. 为什么说Java是半编译半解释型语言? 如下图要记住
JDK1.0时代,将Java语言定位为“解释执行”还是比较准确的。再后来,Java也发展出可以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执行二者结合起来进行。
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③. 机器码、指令、汇编语言
3>.机器码、指令、汇编语言

①. 机器码:各种用二进制编码方式表示的指令,叫做机器指令码。开始,人们就用它采编写程序,这就是机器语言(0 | 1 组成的)
机器语言虽然能够被计算机理解和接受,但和人们的语言差别太大,不易被人们理解和记忆,并且用它编程容易出差错
用它编写的程序一经输入计算机,CPU直接读取运行,因此和其他语言编的程序相比,执行速度最快
机器指令与CPU紧密相关,所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同。
②. 指令就是把机器码中特定的0和1序列,简化成对应的指令(一般为英文简写,如mov,inc等),可读性稍好
(由于不同的硬件平台,执行同一个操作,对应的机器码可能不同,所以不同的硬件平台的同一种指令(比如mov),对应的机器码也可能不同)

③. 指令集

不同的硬件平台,各自支持的指令,是有差别的。因此每个平台所支持的指令,称之为对应平台的指令集
如常见的 (x86指令集,对应的是x86架构的平台 | ARM指令集,对应的是ARM架构的平台 )
④. 汇编语言
在汇编语言中,用助记符(Mnemonics)代替机器指令的操作码,用地址符号(Symbol)或标号(Label)代替指令或操作数的地址
在不同的硬件平台,汇编语言对应着不同的机器语言指令集,通过汇编过程转换成机器指令
(由于计算机只认识指令码,所以用汇编语言编写的程序还必须翻译成机器指令码,计算机才能识别和执行)
⑤. 高级语言(如下图需要记住)
为了使计算机用户编程序更容易些,后来就出现了各种高级计算机语言。高级语言比机器语言、汇编语言更接近人的语言
当计算机执行高级语言编写的程序时,仍然需要把程序解释和编译成机器的指令码。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序
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④. 解释器
4>. 解释器 掌握

①.JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足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。
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②. 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

③. 当一条字节码指令被解释执行完成后,接着再根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作

④. 在Java的发展历史里,一共有两套解释执行器,即古老的字节码解释器、现在普遍使用的模板解释器。
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⑤. 现状:(了解)

由于解释器在设计和实现上非常简单,因此除了Java语言之外,还有许多高级语言同样也是基于解释器执行的,比如Python、 Perl、Ruby等。但是在今天,基于解释器执行已经沦落为低效的代名词,并且时常被一些C/C+ +程序员所调侃
为了解决这个问题,JVM平台支持一种叫作即时编译的技术。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为机器码,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
不过无论如何,基于解释器的执行模式仍然为中间语言的发展做出了不可磨灭的贡献
⑤. JIT编译器
5>. JIT编译器 掌握

①. HostSpot JVM的执行方式:当虛拟机启动的时候,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。并且随着程序运行时间的推移,即时编译器逐渐发挥作用,根据热点探测功能,将有价值的字节码编译为本地机器指令,以换取更高的程序执行效率。

②. HotSpot VM 为何解释器与JIT编译器共存? ①是结论,②是解释:

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③. 目前HotSpot VM所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 VM将会为每一个 方法都建立2个不同类型的计数器,分别为方法调用计数器(Invocation Counter) 和回边计数器(BackEdge Counter) )
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
④. 方法调用计数器
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⑤. 回边计数器
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⑥. 热度衰减
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⑥. HotSpot VM 可以设置程序执行方式
6>. HotSpot VM 可以设置程序执行方式

①. 缺省情况下HotSpot VM是采用解释器与即时编译器并存的架构,当然开发人员可以根据具体的应用场景,通过命令显式地为Java虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器执行,还是完全采用即时编译器执行。如下所示:
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②. -Xint: 完全采用解释器模式执行程序;

③. -Xcomp: 完全采用即时编译器模式执行程序。如果即时编译出现问题,解释器会介入执行

④. -Xmixed:采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序。

⑦. HotSpot VM 中的JIT分类
7>. HotSpot VM 中的JIT分类

①. 在HotSpot VM中内嵌有两个JIT编译器,分别为Client Compiler和Server
Compiler,但大多数情况下我们简称为C1编译器和C2编译器。开发人员可以通过如下命.令显式指定Java虚拟机在运行时到底使用哪一种即时编译器,如下所示:
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②. 分层编译(Tiered Compilation)策略:程序解释执行(不开启性能监控)可以触发C1编译,将字节码编译成机器码,可以进行简单优化,也可以加上性能监控,C2编译会根据性能监控信息进行激进优化。

③. 总结:

一般来讲,JIT编译出来的机器码性能比解释器高。
C2编译器启动时长比C1编译器慢,系统稳定执行以后,C2编译器执行速度远远快于C1编译器。
⑧. Graal编译器与AOT编译器
8>.Graal编译器与AOT编译器

①. Graal编译器
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②. AOT编译器(静态提前编译器)
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标签:Engine,解释器,Execution,Java,字节,05,编译,编译器,执行
来源: https://blog.csdn.net/cristianoxm/article/details/112501743

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