JVM上篇内存与垃圾回收-执行引擎
执行引擎
执行引擎属于JVM的下层，里面包括解释器、及时编译器、垃圾回收器
- 执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一
- 虚拟机的执行引擎由软件自行实现，物理机的执行引擎是操作系统层面上
- 能够执行不被硬件直接支持的指令格式
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，以及其他辅助信息。
那么，如果想要让一个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。
Java代码编译和执行过程
- 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
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
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：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。
为什么Java是半编译半解释型语言？
JVM在执行Java代码的时候，通常会将解释执行与编译执行二者结合起来进行
机器码、指令、汇编语言
机器码
各种采用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。机器语言。机器指令与CPU紧密相关，不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同
指令
- 由于机器码由01组成，可读性太差。于是人们发明了指令
- 指令就是把机器码特定的0和1序列，简化成对应的指令，一般为英文编写如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，对应的机器码也可能不同
指令集
- 不同硬件平台，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
- x86指令集，对应的x86架构的平台
- ARM指令集，对应的是ARM架构的平台
汇编
- 由于指令的可读性太差，于是又有了汇编语言
- 汇编语言用助记符代替机器指令的操作码，用地址符号或标号，代替指令或操作数的地址。
- 汇编语言要翻译成机器指令码，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。
字节码
字节码是一种中间状态（中间码）的二进制代码（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
字节码主要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关。
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赌赢平台的本地机器指令执行
- 解析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的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寄存器中的记录下一条需要被执行的字节码执行解释执行
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。
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。但是在今天，基于解释器执行已经沦落为低效的代名词。
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。
JIT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
JVM平台支持一种叫做即时编译的技术，目的是避免解释执行，而是将整个函数体编译成机器码，每次函数执行时，只执行编译后的机器码即可。使执行效率大幅提升
为什么hotspot采用解释器与即时编译器并存的架构
- 首先程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译时间，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更高
- 对于服务端应用，启动时间并非关注重点，但是对于看重启动时间的应用场景，就需要找到一个平衡点。
- 当Java虚拟机启动时，解释器可以首先发挥作用，而不是等待即时编译器全部编译完成后再执行，这样可以省去很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
- 解释器是边编译边执行(下次再重新编译)而即时编译器是先进行全部编译(保存起来下次继续用)然后再执行
概念解释
Java 语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程，因为它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。
- 前端编译器：Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式编译器（ECJ）。
- JIT编译器：HotSpot VM的C1、C2编译器。
- AOT 编译器：GNU Compiler for the Java（GCJ）、Excelsior JET。
热点代码及探测方式
- 需要根据代码被调用执行的频率而定，需要被编译为本地代码的字节码，也称之为热点代码。
- JIT编译器会在运行时针对频繁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程序的执行性能
- 一个被多次调用的方法，后者一个方法体内部循环次数较多的循环体，都可以被称之为热点代码
- 因此可以通过JIT编译器编译为本地机器指令，由于这种编译方法发生在方法的执行过程中，因此也被称之为栈上替换，OSR On Statck Replacement
- 一个方法调用都少次才能达到标准？这个依靠热点探测功能
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（Back Edge 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
方法调用计数器
这个计数器就用于统计方法被调用的次数，它的默认阀值在Client模式下是1500次，在Server模式下是10000次。超过这个阈值，就会触发JIT编译。
当一个方法被调用时，如果不存在已被编译过的版本，则将此方法的调用计数器+1，然后判断方法调用计数器与回边计数器之和，是否超过方法调用计数器的阈值。如果已经超过，会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求。
回边计数器
统计循环体执行的循环次数
热度衰减
- 当超过一定的时间限度，如果方法调用次数仍然不足以提交即时编译器编译，那么这个方法的调用计数器就会被减少一半。
- -XX:UseCounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒
HotSpotVM 可以设置程序执行方法
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：
- -Xint：完全采用解释器模式执行程序；
- -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
- -Xmixed：采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序。
HotSpotVM中 JIT 分类
JIT的编译器还分为了两种，分别是C1和C2，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：
- -client：指定Java虚拟机运行在Client模式下，并使用C1编译器；C1编译器会对字节码进行简单和可靠的优化，耗时短，以达到更快的编译速度。
- -server：指定Java虚拟机运行在server模式下，并使用C2编译器。C2进行耗时较长的优化，以及激进优化，但优化的代码执行效率更高。
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。
不过在Java7版本之后，一旦开发人员在程序中显式指定命令“-server”时，默认将会开启分层编译策略，由C1编译器和C2编译器相互协作共同来执行编译任务。
C1 和 C2编译器不同的优化策略
在不同的编译器上有不同的优化策略，C1编译器上主要有方法内联、去虚拟化、冗余消除。
- 方法内联：将引用的函数代码编译到引用点处，这样可以减少栈帧的生成，减少参数传递以及跳转过程
- 去虚拟化：对唯一的实现类进行内联
- 冗余消除：在运行期间把一些不会执行的代码折叠掉
C2的优化主要是在全局层面，逃逸分析（前面讲过，并不成熟）是优化的基础。基于逃逸分析在C2上有如下几种优化：
- 标量替换：用标量值代替聚合对象的属性值
- 栈上分配：对于未逃逸的对象分配对象在栈而不是堆
- 同步消除：清除同步操作，通常指synchronized
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慢，系统稳定执行以后，C2编译器执行速度远快于C1编译器
JDK9引入了AOT编译器
jdk10起，hotspot又引入了个全新的即时编译器Graal编译器