JVM 执行引擎的作用及工作过程

比眉伴天荒 2023-01-02 01:19 116阅读 0赞

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### **执行引擎的概述** ###

执行引擎是 Java 虚拟机核心的组成部分之一。

“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构关系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

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 所识别的字节码指令、符号表，以及其他的辅助信息。

那么，如果想让一个 java 程序运行起来，执行引擎（Execution Engine) 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。

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执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样子的字节码指令完全依赖于 PC 寄存器。

每当执行一项指令操作以后，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。

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释执行的等效过程，输出的是执行结果。

### **Java 代码编译和执行过程** ###

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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，都需要经过上图中的各个步骤。

Java 代码编译是由 Java 源码编译器来完成，流程图如下所示：

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Java 字节码的执行是由 JVM 执行引擎来完成，流程图如下所示：

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**问题：什么是解释器（Interpreter），什么是 JIT 编译器？**

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： 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。

**问题：为什么说 Java 语言是半编译半解释型语言？**

JDK 1.0 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和编译执行二者结合起来进行。

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### **机器码、指令、汇编语言** ###

*  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，人们就用它编写程序，这就是机器语言。

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。

*  指令

由于机器码是有 0 和 1 组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。

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，执行的是同一个操作，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。

*  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。

*  汇编语言

由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。

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。

*  高级语言

为了使计算机用户编程更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。高级计算机语言比机器语言、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。

**关于以上所述大致用图展示如下：**

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*  字节码

字节码是一种中间状态的（中间码）的二进制（文件），它比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码。

字节码主要是为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关。

字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机器。编译器将原码编译成字节码，特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接运行的指令，字节码的典型应用为 Java bytecode 。

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### **解释器** ###

JVM 设计者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。

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。

当一条字节码指令被解释执行完成后，接着在根据 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。

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。

字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。

而模版解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程度上提高了解释器的性能。在 HotSpot VM 中，解释器主要由 Interpreter 模块和 Code 模块组成。

*  Interpreter 模块：实现了解释器的核心功能
 *  Code 模块 ： 用于管理 HotSpot VM 在运行时生成的本地机器指令。

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 平台支持一种叫做即时编译的技术。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，这种方式可以时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。

### **JIT 编译器** ###

HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与及时编辑器并行的结构。在 Java 虚拟机运行时，解释器和即时编译器能够相互协作，各自取长补短，尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。

在今天， Java 程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和 C/C++ 程序一较高下的地步。

**有些开发人员会感觉到诧异，既然 HotSpot VM 中已经内置了 JIT 编译器了，那么为什么还使用解释器来“拖累”程序的执行性能呢？ 比如 JRockit VM 内部就不包含解释器，字节码全部都依靠即时编译器编译后执行。**

首先明确：当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，立即执行。编译器要想发挥作用，把代码编译成本地代码，需要一定的执行时间。但编译为本地代码后，执行效率高。所以：尽管 JRockit VM中程序的执行性能会非常的高效，但程序在启动时必然会花费更长的时间来进行编译。对于服务器来说，启动时间并非时关注重点，但对于那些看中启动时间的应用场景而言，或许就需要采用解释器与及时编译器并存的架构来换取一个平衡点。在此模式下，当 Java 虚拟机启动时，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后在执行，这样可以省去许多不必要的编译时间。随着时间的推移，编译器发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码，获得更高的执行效率。

同时，解释执行在编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”。

**概念解释：**：

Java 语言的“编译期”其实是一段 “不确定”的操作过程，因为他可能是指一个前端编译器（其实叫 “编译器的前端” 更准确一些）把 .java 文件转变成 .class 文件的过程；

也可能是指虚拟机的后端运行期编译器（ JIT 编译器， Just In Time Compiler ）把字节码转变成机器码的一个过程。

还可能是指使用静态提前编译器 （ AOT 编译器， Ahead Of Time Compiler ) 直接把 .java 文件编译成本地机器代码的过程。

**如何选择：**

当然是否需要启动 JIT 编译器将字节码直接译为对应平台的本地机器指令，则需要根据代码被调用执行的频率而定。关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为 “热点代码” JIT 编译器在运行时会针对那些频繁被调用的“热点代码”做出深度优化，将其直接编译为对应平台的本地机器指令，以此提升 Java 程序的性能。

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，通过命令显示地为 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：

*  \-Xint : 完全采用解释器模式执行程序；
 *  \-Xcomp : 完全采用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。
 *  \-Xmixed :采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序。

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