Java编译方式总结：前端编译、JIT编译、AOT编译

朱雀 2021-05-12 11:55 686阅读 0赞

**一、前端编译：**

java设计之初就是强调跨平台，通过javac将源文件编译成于平台无关的class文件， 它定义了执行 Java 程序所需的所有信息（许多Java"语法糖"，是在这个阶段完成的，不依赖虚拟机）；同时，jvm提供了运行时环境（JRE）——实现了所有特定的本地平台支持（例如：Linux 的 Intel x86 平台、Sun Solaris 平台和 AIX ...的jre）。

Java 程序一个重要部分是字节码序列，它描述了 Java 类中每个方法所执行的操作。字节码使用一个理论上无限大的操作数堆栈来描述计算（操作数堆栈的大小是有限制，但程序极少超出该限制，此外JVM 提供了安全性检查，超出后进行通知），在操作数堆栈上执行的各种操作计算都独立于所有本地处理器的指令集，Java 虚拟机（JVM）规范定义了这些字节码的执行，任何特定本地平台的JRE 都必须遵守 JVM 规范。

因为基于堆栈的本地平台很少（Intel X87 浮点数协处理器是一个明显的例外），所以大多数本地平台不能直接执行 Java 字节码。为了解决这个问题，早期的 JRE 通过解释字节码来执行 Java 程序。即 JVM 在一个循环中重复操作：

*  获取待执行的下一个字节码；
 *  解码；
 *  从操作数堆栈获取所需的操作数；
 *  按照 JVM 规范执行操作；
 *  将结果写回堆栈。

这一过程称作**前端编译。**

优点：简单，很方便跨平台，JRE 开发人员只需编写代码来处理每种字节码即可，并且因为用于描述操作的字节码少于 255 个，所以实现的成本比较低；

缺点：性能比较差，因为在运行代码时每次都要重复的解释；

**二、JIT编译（即时编译、动态编译）：**

java设计初衷是使用解释的方式支持应用程序的可移植性目标，早期java运行时提供的性能远低于C/C++之类的编译语言（这类语言尽管性能更高，但生成的代码只能在指定平台上执行），但在过去的十几年中，Java 运行时供应商开发了一些复杂的动态编译器，**也称即时编译（Just-in-time，JIT）**极大的提升了java运行效率。JIT是在java程序运行时，将最频繁执行的代码（hot spot）编译成本地代码，接下来这些hot spot code直接通过机器码执行，省去了重复解释。JIT执行原理如下图：

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1、挑战：

1）JIT这种技术，既保证了程序可移植性又提升了运行效率，但仍会带来运行时性能的下降（因为在程序执行时进行编译，所以编译代码的时间将计入程序的执行时间。任何编写过大型 C 或 C++ 程序的人都知道，编译过程往往较慢）。与之相对应，C++是在运行前编译成本地代码，但这牺牲了移植性。

2）Java 支持动态加载类，这对JIT的设计有着重要的影响。如果待编译代码引用的其他类还没有加载怎么办？比如一个方法需要读取某个尚未加载的类的静态字段值。Java 语言要求第一次执行类引用时加载这个类并将其解析到当前的 JVM 中。直到第一次执行时才解析引用，这意味着没有地址可供从中加载该静态字段。编译器如何处理这种可能性？编译器生成一些代码，用于在没有加载类时加载并解析类。类一旦被解析，就会以一种线程安全的方式修改原始代码位置以便直接访问静态字段的地址，因为此时已获知该地址。

2、优缺点：

1）优点：

Java的动态编译有些时候能够比静态编译语言生成更好的本地代码。现代的 JIT 编译器常常向生成的代码中插入挂钩以收集有关程序行为的信息，以便如果要选择方法进行重编译，就可以更好地优化动态行为。举一个例子：

一个虚方法调用需要查看接收方对象的类调用，以便找出哪个实际目标实现了接收方对象的虚方法。研究表明：大多数虚调用只有一个目标对应于所有的接收方对象，而 JIT 编译器可以为直接调用生成比虚调用更有效率的代码。通过分析代码编译后类层次结构的状态，JIT 编译器可以为虚调用找到一个目标方法，并且生成直接调用目标方法的代码而不是执行较慢的虚调用。当然，如果类层次结构发生变化，并且出现另外的目标方法，则 JIT 编译器可以更正最初生成的代码以便执行虚调用。在实践中，很少需要作出这些更正。另外，由于可能需要作出此类更正，因此静态地执行这种优化非常麻烦。

总之，对于大量的 Java 应用程序来说，动态编译已经弥补了与C++ 之类语言的静态本地编译性能之间的差距，在某些情况下，甚至超过了后者的性能。

2）缺点：

由于识别、编译hot spot code 都需要一定的时间，所以应用程序通常要经历一个准备过程。其次，JIt在运行时也会带来一定的性能损失，有些应用可能无法容忍。

**三、AOT编译（静态编译）：**

由于动态编译技术的多项改进，在很多应用程序中，现代的 JIT 编译器可以产生与 C 或 C++ 静态编译相当的应用程序性能。但是，仍然有很多软件开发人员认为动态编译可能严重干扰程序操作，所以有另外一些开发人员强烈呼吁对 Java 代码进行静态编译(Ahead-of-time AOT)，并且坚信那样可以解决性能问题。目的在于避免 JIT 编译器的运行时性能消耗或内存消耗或CPU共享，以及避免解释程序的早期性能开销。

人们希望java能像C++一样在运行之前编译生成本地代码，但不幸的是Java **语言本身的动态特性**带来了额外的复杂性，影响了 Java 程序静态编译代码的质量。

1、挑战：

动态类加载是动态 JIT 编译器面临的一个挑战，也是 AOT 编译的一个更重要的问题。只有在执行代码引用类的时候才加载该类。因为是在程序执行前进行 AOT 编译的，所以编译器无法预测加载了哪些类。就是说编译器无法获知任何静态字段的地址、任何对象的任何实例字段的偏移量或任何调用的实际目标，甚至对直接调用（非虚调用）也是如此。在执行代码时，如果证明对任何这类信息的预测是错误的，这意味着一切都将完蛋！

此外，Java 代码可能在程序执行前根本不存在：比如 Java 反射服务通常在运行时生成新类来支持程序的行为。

缺少关于静态、字段、类和方法的信息意味着严重限制了 Java 编译器中优化框架的大部分功能。**内联**可能是静态或动态编译器应用的最重要的优化，但是由于编译器无法获知调用的目标方法，因此无法再使用这种优化。

2、内联：

内联是一种用于在运行时生成代码避免程序开始和结束时开销的技术，方法是将函数的调用代码插入到调用方的函数中。但是内联最大的益处可能是优化方可见的代码的范围扩大了，从而能够生成更高质量的代码。下面是一个内联前的代码示例：

int foo() \{ int x=2, y=3; return bar(x,y); \}final int bar(int a, int b) \{ return a+b; \}

如果编译器可以证明这个 bar就是 foo()中调用的那个方法，则 bar中的代码可以取代 foo()中对 bar()的调用。这时，bar()方法是 final类型，因此肯定是 foo()中调用的那个方法。甚至在一些虚调用例子中，动态 JIT 编译器通常能够推测性地内联目标方法的代码，并且在绝大多数情况下能够正确使用。编译器将生成以下代码：

int foo() \{ int x=2, y=3; return x+y; \}

2、优缺点：

优点：合理的使用AOT，可以提高运行效率；

缺点：静态（AOT）编译器则牺牲了平台无关性和代码质量，因为它们不能利用程序的动态行为，也不具有关于加载的类或类层次结构的信息。

参考：

[http://www.voidcn.com/article/p-pxzcyizf-bee.html][http_www.voidcn.com_article_p-pxzcyizf-bee.html]

[http://www.voidcn.com/article/p-mqpurqfs-mw.html][http_www.voidcn.com_article_p-mqpurqfs-mw.html]

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[http_www.voidcn.com_article_p-pxzcyizf-bee.html]: http://www.voidcn.com/article/p-pxzcyizf-bee.html
[http_www.voidcn.com_article_p-mqpurqfs-mw.html]: http://www.voidcn.com/article/p-mqpurqfs-mw.html