执行引擎概述

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体系，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
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
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析执行的等效过程，输出的是执行结果。

执行引擎工作过程

执行引擎在执行的过程中究竟需要执行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

Java代码编译和执行过程

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这些步骤

Java代码编译是由Java源码编译器完成

Java字节码的执行由JVM执行引擎完成

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：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

为什么说Java是半编译半解释型语言？

Java通常被认为是一种“半解释型半编译型”的语言，这是因为Java在编译和执行过程中都涉及到了一些解释和编译的特性。

编译型特性： Java代码首先会被编译成一种称为”字节码”（bytecode）的中间形式，这个字节码不是直接针对特定硬件平台的机器码，而是针对Java虚拟机（JVM）的指令集。这个编译过程发生在你将Java源代码（.java文件）编译成字节码（.class文件）的时候。
解释型特性： 一旦生成字节码，它可以在任何支持Java虚拟机的平台上解释执行。这意味着你不需要针对每个不同的硬件和操作系统重新编译代码，只需确保有适当版本的Java虚拟机。JVM会负责将字节码实时翻译成特定平台的机器码并执行。

因此，Java是一种跨平台的语言，兼具编译型和解释型语言的特性，这使得Java程序可以在不同的平台上运行。但需要注意的是，Java的JIT（Just-In-Time）编译器在运行时可以将某些热点代码（经常执行的代码）编译成本地机器码，以提高执行效率。这也是Java运行速度较快的一个原因。

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
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。
不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同

指令

机器码是由0和1组成的二进制序列，可读性太差，于是出现了指令
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，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
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

在汇编语言中，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
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，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

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

解释器

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，接着再根据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

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。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

Java代码执行的分类

第一种是将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行
第二种是编译执行（直接编译成机器码)。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用JIT编译技术（Just In Time）将方法编译成机器码后再执行

JIT编译器

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

热点代码及探测方式

当然是否需要启动JIT编译器将字节码直接编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程序的执行性能。

一个被多次调用的方法，或者是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”，因此都可以通过JIT编译器编译为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR (On StackReplacement）编译。
一个方法究竟要被调用多少次，或者一个循环体究竟需要执行多少次循环才可以达到这个标准？必然需要一个明确的阙值，JIT编译器才会将这些“热点代码”编译为本地机器指令执行。这里主要依靠热点探测功能。
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（BackEdge counter)
- 方法调用计数器用于统计方法的调用次数
- 回边计教器则用于统计循环体执行的循环次数

方法调用计数器

该计数器就用于统计方法被调用的次数，它的默认阈值在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
这个阈值可以通过虚拟机参数-XX:CompileThreshold设定
当一个方法被调用时，会先检查该方法是否存在被JIT编译过的版本，如果存在，则优先使用编译后的本地代码来执行。如果不存在已被编译过的版本，则将此方法的调用计数器值加1，然后判断方法调用计数器与回边计数器值之和是否超过方法调用计数器的阈值。如果已超过阈值，那么将会向即时编译器提交一个该方法的代码编译请求

热度衰减

如果不做任何设置，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间之内方法被调用的次数。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍然不足以让它提交给即时编译器编译，那这个方法的调用计数器就会被减少一半，这个过程称为方法调用计数器热度的衰减（Counter Decay），而这段时间就称为此方法统计的半衰周期（Counter Half Life Time）。
进行热度衰减的动作是在虚拟机进行垃圾收集时顺便进行的，可以使用虚拟机参数-XX:-UseCounterDecay来关闭热度衰减，让方法计数器统计方法调用的绝对次数，这样，只要系统运行时间足够长，绝大部分方法都会被编译成本地代码。
另外，可以使用-XX:CounterHalfLifeTime参数设置半衰周期的时间，单位是秒。

回边计数器

它的作用是统计一个方法中循环体代码执行的次数，在字节码中遇到控制流向后跳转的指令称为“回边”（Back Edge)。建立回边计数器统计的目的就是为了触发 OSR 编译。

设置程序执行方式

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。

参数	说明
`-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。

HotSpot JVM中JIT分类

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。

参数	说明
`-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。

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