Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的？
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概覽
計(jì)算機(jī)能識(shí)別的是機(jī)器指令碼，簡(jiǎn)稱機(jī)器碼。機(jī)器碼是二進(jìn)制的，計(jì)算機(jī)可以直接識(shí)別，但與人類的語(yǔ)言差別太大，不容易被人理解和記憶。后來(lái)，就誕生了各種高級(jí)語(yǔ)言，人們用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序，然后通過(guò)把程序解釋或編譯成機(jī)器碼。
比如python，就是一種解釋型語(yǔ)言。Python程序源碼不需要編譯，可以直接從源代碼運(yùn)行程序。Python解釋器將源代碼轉(zhuǎn)換為字節(jié)碼，然后把編譯好的字節(jié)碼轉(zhuǎn)發(fā)到Python虛擬機(jī)(PVM)中進(jìn)行執(zhí)行。
而C語(yǔ)言就是典型的編譯型語(yǔ)言，需要先用編譯器編譯成機(jī)器碼，比如我們通常用gcc來(lái)編譯C語(yǔ)言程序：
- $ gcc hello.c # 編譯
- $ ./a.out # 執(zhí)行
- hello world!
那Java是解釋型語(yǔ)言還是編譯型語(yǔ)言呢?
「Java是兼具編譯型語(yǔ)言與解釋型語(yǔ)言的特點(diǎn)的」。程序員寫好Java程序后，需要先用javac編譯成JVM可以使用的字節(jié)碼class文件。然后JVM加載class文件，逐條解釋執(zhí)行。在運(yùn)行過(guò)程中，部分熱點(diǎn)代碼會(huì)被即時(shí)編譯器編譯成機(jī)器碼。
源代碼到字節(jié)碼
Java語(yǔ)言的源代碼是.java為后綴的文件。當(dāng)然現(xiàn)在有很多其它高級(jí)語(yǔ)言也架構(gòu)在JVM上，比如groovy、kotlin等。源代碼是給人看的，易于閱讀、理解、維護(hù)。
源代碼經(jīng)過(guò)編譯后得到字節(jié)碼，字節(jié)碼是給JVM用的，易于理解和識(shí)別。字節(jié)碼是以.class為后綴，其格式是JVM的一套規(guī)劃，字節(jié)碼人類對(duì)照文檔也是勉強(qiáng)能看懂的，只是相對(duì)Java代碼來(lái)說(shuō)要難以理解一些而已。
Java與Python不同，Python不需要編譯字節(jié)碼文件(當(dāng)然，Python也提供了這種操作)，編譯是一個(gè)自動(dòng)的過(guò)程，一般不會(huì)在意它的存在。而Java會(huì)先編譯好字節(jié)碼文件，這樣JVM直接讀字節(jié)碼文件，可以節(jié)省加載模塊的時(shí)間，提高效率。同時(shí)字節(jié)碼的形式也增加了反向工程的難度，可以保護(hù)源代碼(當(dāng)然，也可以被反編譯)。
熟悉JVM的小伙伴都知道，它有一個(gè)“類加載過(guò)程”，可以說(shuō)是老八股文了，經(jīng)常會(huì)被面試官問(wèn)到。類加載過(guò)程其實(shí)就是指的JVM從讀取一個(gè)class文件到準(zhǔn)備好這個(gè)類，以及最后銷毀的整個(gè)過(guò)程。
所以「class文件其實(shí)是以“類”為單位的，這跟java文件有一些不同」。如果我們?cè)谝粋€(gè)Java文件里面聲明多個(gè)類，用Javac編譯出來(lái)會(huì)發(fā)現(xiàn)有多個(gè)class文件。比如我們聲明一個(gè)One.java文件：
- public class One {
- public class OneInner {}
- private class OnePrivateInner {}
- public static class OneStaticInner {}
- private static class OneprivateStaticInner {}
- }
- class Two{}
用Javac編譯后，會(huì)出現(xiàn)6個(gè)class文件
- ➜ $ ls
- 'One$OneInner.class' 'One$OneStaticInner.class' One.class Two.class
- 'One$OnePrivateInner.class' 'One$OneprivateStaticInner.class' One.java
字節(jié)碼到機(jī)器碼
加載和使用字節(jié)碼
前面提到，JVM會(huì)加載class文件，然后加載后的Java類會(huì)被存放于方法區(qū)(Method Area)中。從指定的類的main方法作為入口開(kāi)始運(yùn)行。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，虛擬機(jī)會(huì)執(zhí)行方法區(qū)內(nèi)的代碼，JVM會(huì)使用堆和棧來(lái)存儲(chǔ)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)。
每當(dāng)進(jìn)入一個(gè)方法，Java虛擬機(jī)會(huì)在當(dāng)前線程的棧中生成一個(gè)棧幀，存放局部變量以及字節(jié)碼的操作數(shù)，這個(gè)棧幀的大小是提前計(jì)算好的。
退出方法時(shí)，不管是正常返回還是異常返回，Java虛擬機(jī)均會(huì)「彈出當(dāng)前線程的當(dāng)前棧幀」，并將之舍棄。
Java虛擬機(jī)需要將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼，才能讓機(jī)器執(zhí)行。這個(gè)過(guò)程有兩種形式，一種是解釋執(zhí)行，即逐條將字節(jié)碼翻譯成機(jī)器碼并執(zhí)行;另一種是即時(shí)編譯(Just-In-Time compilation，JIT)，即將「一個(gè)方法中」包含的所有字節(jié)碼編譯成機(jī)器碼后再執(zhí)行。
分層編譯
這兩種編譯方式是怎么協(xié)作的呢?
HotSpot虛擬機(jī)包含多個(gè)即時(shí)編譯器C1、C2和Graal。其中，Graal是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的即時(shí)編譯器，可以通過(guò)參數(shù) -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler啟用，并且替換C2。
C1和C2各有優(yōu)劣，適用于不同的場(chǎng)景。在Java 7以前，只能選擇一種編譯器。C1編譯快，但生成的代碼執(zhí)行效率一般，常用于對(duì)于執(zhí)行時(shí)間較短的，或者對(duì)啟動(dòng)性能有要求的程序，常用于客戶端;C2編譯慢，但生成的代碼執(zhí)行效率快，適用于對(duì)于執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)的，或者對(duì)峰值性能有要求的程序，常用于服務(wù)端。實(shí)際上，C1對(duì)應(yīng)的參數(shù)是client，C2對(duì)應(yīng)的參數(shù)是server，也跟它們的應(yīng)用場(chǎng)景比較匹配。
Java7引入了分層編譯的概念，綜合了C1的啟動(dòng)性能優(yōu)勢(shì)和C2的峰值性能優(yōu)勢(shì)。C1和C2編譯出的機(jī)器碼是不同的。C2代碼的執(zhí)行效率要比C1代碼高出30%以上。機(jī)器碼越快，需要的編譯時(shí)間就越長(zhǎng)。分層編譯是一種折衷的方式，既能夠滿足部分不那么熱的代碼能夠在短時(shí)間內(nèi)編譯完成，也能滿足很熱的代碼能夠擁有最好的優(yōu)化。
熱點(diǎn)代碼
那怎么判定熱點(diǎn)代碼呢?
JVM會(huì)收集方法的運(yùn)行時(shí)信息，主要包括調(diào)用次數(shù)和循環(huán)回邊的次數(shù)。當(dāng)「方法的調(diào)用次數(shù)和循環(huán)回邊的次數(shù)的和，超過(guò)指定閾值時(shí)」，便會(huì)觸發(fā)即時(shí)編譯。
->
循環(huán)回邊次數(shù)可以簡(jiǎn)單理解為方法內(nèi)部代碼的循環(huán)次數(shù)，比如方法內(nèi)部有for循環(huán)或while循環(huán)。
<-
在分層編譯出現(xiàn)前，這個(gè)閾值是由參數(shù)-XX:CompileThreshold指定的，使用C1時(shí)，該值為1500;使用C2時(shí)，該值為10000。
當(dāng)啟用分層編譯時(shí)，JVM使用另一套閾值系統(tǒng)。在這套系統(tǒng)中，閾值的大小是動(dòng)態(tài)調(diào)整的。JVM將閾值與某個(gè)系數(shù) s 相乘。該系數(shù)與當(dāng)前待編譯的方法數(shù)目成正相關(guān)，與編譯線程的數(shù)目成負(fù)相關(guān)。
編譯線程
默認(rèn)情況下編譯線程的總數(shù)目是根據(jù)處理器數(shù)量來(lái)調(diào)整的。Java 虛擬機(jī)會(huì)將這些編譯線程按照1:2的比例分配給 C1和C2(至少各為1個(gè))。舉個(gè)例子，對(duì)于一個(gè)四核機(jī)器來(lái)說(shuō)，總的編譯線程數(shù)目為3，其中包含一個(gè)C1編譯線程和兩個(gè)C2編譯線程。
->
機(jī)器資源太少的時(shí)候，也可能各1個(gè)線程。
<-
用arthas可以看到編譯線程：
^arthas^
可以看到，它們的ID是-1，優(yōu)先級(jí)也是-1。我們自己創(chuàng)建的線程優(yōu)先級(jí)是0~10，所以編譯線程的優(yōu)先級(jí)會(huì)更高一些。
總結(jié)
一句話來(lái)總結(jié)Java程序是怎么在機(jī)器上運(yùn)行的呢?首先Java程序員編寫Java代碼，然后Java代碼會(huì)被編譯成class文件，多個(gè)class文件會(huì)被打包成jar包或者war包。然后JVM加載class文件，然后先解釋執(zhí)行為字節(jié)碼。程序運(yùn)行一段時(shí)間后，JVM會(huì)通過(guò)方法調(diào)用次數(shù)和循環(huán)持續(xù)判斷一個(gè)方法是否為熱點(diǎn)代碼，如果是，會(huì)使用分層編譯，通過(guò)編譯線程編譯成字節(jié)碼，在機(jī)器上運(yùn)行。
