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Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的

本篇內(nèi)容介紹了“Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的”的有關(guān)知識(shí),在實(shí)際案例的操作過程中,不少人都會(huì)遇到這樣的困境,接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧!希望大家仔細(xì)閱讀,能夠?qū)W有所成!

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概覽

計(jì)算機(jī)能識(shí)別的是機(jī)器指令碼,簡稱機(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,但與人類的語言差別太大,不容易被人理解和記憶。后來,就誕生了各種高級(jí)語言,人們用高級(jí)語言編寫程序,然后通過把程序解釋或編譯成機(jī)器碼。

比如python,就是一種解釋型語言。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語言就是典型的編譯型語言,需要先用編譯器編譯成機(jī)器碼,比如我們通常用gcc來編譯C語言程序:

$ gcc hello.c # 編譯 $ ./a.out # 執(zhí)行 hello world!

那Java是解釋型語言還是編譯型語言呢?

「Java是兼具編譯型語言與解釋型語言的特點(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)碼人類對照文檔也是勉強(qiáng)能看懂的,只是相對Java代碼來說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)“類加載過程”,可以說是老八股文了,經(jīng)常會(huì)被面試官問到。類加載過程其實(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」。如果我們在一個(gè)Java文件里面聲明多個(gè)類,用Javac編譯出來會(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。

Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的

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。

Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的

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,常用于對于執(zhí)行時(shí)間較短的,或者對啟動(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,適用于對于執(zhí)行時(shí)間較長的,或者對峰值性能有要求的程序,常用于服務(wù)端。實(shí)際上,C1對應(yīng)的參數(shù)是client,C2對應(yīng)的參數(shù)是server,也跟它們的應(yīng)用場景比較匹配。

Java7引入了分層編譯的概念,綜合了C1的啟動(dòng)性能優(yōu)勢和C2的峰值性能優(yōu)勢。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。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,對于一個(gè)四核機(jī)器來說,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:

Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的

^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,通過編譯線程編譯成字節(jié)碼,在機(jī)器上運(yùn)行。

“Java代碼是如何在機(jī)器上運(yùn)行的”的內(nèi)容就介紹到這里了,感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識(shí)可以關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站,小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章!


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