【原创】JVM如何运行Java程序的?

【Deerhang】

• 我们知道Java程序的运行是依赖于JVM虚拟机的，JVM类语言经过编译生成class字节码文件，字节码又经JVM进一步的编译生成机器码，最终运行在硬件上。那么JVM存在的意义是什么？

  • 拿Java语言为例，Java是一门高级的计算机语言，它的实现复杂、抽象程度高，是无法将这种高级语言生成的程序直接运行在硬件上的，需要JVM替我们进行进一步的编译才可以实现。
  • JVM替提供了一个托管环境，这个托管环境替代我们处理了一些冗长且容易出错的逻辑判断(类似于数组越界)，我们的重心可以更多的放在业务代码上。托管环境提供的最重要的功能就是垃圾回收和内存自动分配。

• class字节码文件无法直接运行在硬件上，需要经过JVM进一步编译才能运行，那么JVM是如何编译字节码文件的呢？

  • 首先字节码文件会被加载到JVM的方法区中，程序运行时所需的类文件全部从方法区中获得。 JVM使用解释执行和及时编译两种方式对字节码进行编译，两种编译的区别如下
    • 1、 解释执行：将字节码逐翻译成机器码执行，翻译策略与解释性语言相同，如Python、JavaScript，特点是运行无需等待编译，可以直接执行。执行参数：-Xint，-Xint会开启JVM的解释执行策略，降低程序的执行性能。
    • 2、即使编译：将整段代码编译成机器码，真正运行的时候直接执行的是机器码，及时编译的特点是实际运行速度更快。执行参数：-Xcomp，-Xcomp会开启JVM的及时编译策略，一次性将字节码编译成机器码，以换取做高的执行效率
    • 3、混合模式：混合模式默认使用了解释执行和及时编译，先使用解释执行执行字节码，然后使用及时编译对热点数据进行编译。JDK默认使用混合模式，对应的参数是：-Xmixed

• JVM如何提升程序执行效率

  • JVM应用及时编译技术，对字节码的编译进行优化，以提升启动性能和峰值性能。JVM的及时编译器有两种：c1编译器和c2编译器，两种编译器的巨鳖如下：
    • 1、c1编译器又叫client编译器，编译器会对字节码进行简单高效的编译，编译时间短，适用于对启动性能要求高的场景，执行参数：-client。
    • 2、c2编译器又叫server编译器，编译器会对字节码进行过度编译，编译时间久，适用于对峰值性能要求高的场景，执行参数：-server。
  • c1编译器和c2编译器的优化策略区别如下：
    • 1、c1编译器主要通过内联、去虚拟化、消除冗余的方式进行优化。
      • 内联：将引用方法编译到引点位置，减少栈帧的产生、参数传递产生的性能损耗。
      • 去虚拟化：针对唯一子类进行内联。
      • 消除冗余：折叠无用的代码。
    • 2、c2编译器主要是基于对象的逃逸分析，进行编译优化
      • 栈上分配：针对没有产生方法逃逸的对象，进行栈上分配而非堆分配，以减少垃圾对象回收带来的性能损耗。
      • 同步清除：针对没有产生线程逃逸的对象，消除同步限制。
      • 标量替换：用标量替换对象的创建，减少垃圾对象回收。

• 逃逸分析可以分为方法逃逸和线程逃逸两种方式：

  • 方法逃逸：（1）方法内创建的对象，没有作为参数传递给其他方法；（2）方法内创建的对象没有作为返回值返回。
  • 线程逃逸：一个对象只会被单个线程访问。
  • 逃逸分析相关参数：
    • 逃逸分析：-XX:+DoEscapeAnalysis
    • 标量替换：-XX:+EliminateAllocations
    • 同步消除：-XX:+EliminateLocks