概述

編譯器是一段“不確定”的操作過程

編譯器類型

1. 前端編譯器：將Java代碼編譯為class字節(jié)碼

• 代表：sun公司的javac(Java語言編寫)、Eclipse JDT中的增量編譯器ECJ

2. 后端編譯器（JIT編譯器）：將字節(jié)碼轉變?yōu)闄C器碼

• 代表： HotSpot VM的C1、C2編譯器

3. 靜態(tài)提前編譯器（AOT編譯器 Ahead of Time Compiler）：將Java代碼編譯為機器碼
   -代表：GNU Compiler for the java、Excelsior JET

1. 早期（編譯期）優(yōu)化

主要說明Sun Javac的大概編譯過程

1. 解析與填充符號表過程
   1.1 解析：
   1.1.1 詞法分析：將源代碼的字符流轉為標記（Token）集合（例如：關鍵字，變量名，運算符，字面量）
   1.1.2 語法分析：根據(jù)Token序列構造抽象語法樹，語法樹的每一個節(jié)點都是一個語法結構（例如：包，類型，修飾符，運算符，接口，返回值，代碼注釋）
   1.2 符號表填充：符號表由符號地址和符號信息組成的表格（可以看成K-V鍵值對）
2. 注解處理
   插入式注解處理器的標準API在編譯期間對注解進行處理
3. 分析與生成字節(jié)碼
   因為由于由語法分析所生成的抽象語法樹不能保證邏輯性，故而語義分析是對正確性的審查

int a =1;
boolean b = false;
int c = a+b;//編譯不能通過

• 3.1 標注檢查
  主要檢查：變量使用前是否已經(jīng)被聲明、變量與賦值之間的數(shù)據(jù)類型是否能匹配
• 3.2 數(shù)據(jù)及控制流分析
  主要檢查：對程序的上下文更進一步的驗證，如：局部變量在使用前是否已經(jīng)賦值、方法的每條路徑是否都有返回值、是否所有的受檢異常都被正確的處理等問題

//這里的兩個方法，編譯出的字節(jié)碼沒有一點區(qū)別，只是有final修飾的不能被改變
public void test(final int a) {}
public void test(int a) {}

• 3.3 解語法糖
  泛型擦除（實際上就是將結果強轉）、變長參數(shù)、自動裝箱/拆箱、內(nèi)部類、枚舉類、斷言語句、對枚舉和字符串的支持、try語句定義和關閉資源等
  條件編譯：使用條件為常量的if語句

//1. 
public static void main (String[] args) {
    if (true) {
        System.out.println("1");
    } else {
         System.out.println("2");
      }
}
//在編譯之后的結果
public static void main (String[] args) {
    System.out.println("1");   
}
//2. 下面語句將會拒絕編譯
public static void main(String[] args) {
        while (false) {
            System.out.println("錯誤");
        }
    }

4. 字節(jié)碼生成
   字節(jié)碼生成不僅僅將前面步驟生成的信息轉換為字節(jié)碼寫到磁盤中，還要進行少量的代碼添加和轉換工作

2. 晚期（運行期）優(yōu)化

部分商用虛擬機（Sun HotSpot、IBM J9）中，Java程序最初通過解釋器（interpreter）解釋執(zhí)行，當虛擬機發(fā)現(xiàn)某個方法或者代碼運行特別頻繁時，就會把這些代碼定義為“熱點代碼”。為了提高熱點代碼的執(zhí)行效率，在運行時，虛擬機會把這些代碼編譯成與本地平臺相關的機器碼，并進行各種層次的優(yōu)化。完成這個任務的編譯器就是即時編譯器（JIT just int time complier）
JRockit沒有解釋器，因此啟動時間較長

1. 為何HotSpot 虛擬機要使用解釋器與編譯器并存的架構？
   兩種編譯器各有優(yōu)勢： 解釋器：啟動快、執(zhí)行快； 編譯器：執(zhí)行效率高
   Client模式啟動速度較快，Server模式啟動較慢，但是啟動進入穩(wěn)定期長期運行之后Server模式的程序運行速度比Client要快很多
2. 為何HotSpot 虛擬機要實現(xiàn)兩個不同的即使編譯器？
   client compiler：獲取更快的編譯速度；server compiler：獲取更好的編譯質(zhì)量。具體使用哪種，虛擬機會根據(jù)自身版本和宿主機的硬件性能自由選擇，當然也可以強制運行某種模式，無論編譯器采用client compiler 還是server compiler，解釋器與編譯器搭配使用都稱為“混合模式（mixed mode）”，也可以強制虛擬機運行編譯模式(-Xcomp)或者解釋模式(-Xint)

MacBook-Pro:~ shizhenshuang$ java -version
java version "1.8.0_231"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_231-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.231-b11, mixed mode)
MacBook-Pro:~ shizhenshuang$ java -Xint -version
java version "1.8.0_231"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_231-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.231-b11, interpreted mode)
MacBook-Pro:~ shizhenshuang$ java -Xcomp -version
java version "1.8.0_231"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.8.0_231-b11)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 25.231-b11, compiled mode)

3. 程序什么時候用解釋器執(zhí)行？什么時候用編譯器執(zhí)行？
   當程序剛開始啟動的時候，解釋器優(yōu)先執(zhí)行，省去編譯時間，當程序運行后，隨著時間的推移，編譯器逐漸發(fā)揮作用，把越來越多的代碼編譯成本地代碼。那么，什么時候編譯器開始執(zhí)行呢？

編譯對象（熱點代碼）與觸發(fā)條件

• 被多次調(diào)用的方法
• 被多次調(diào)用的循環(huán)體（實際編譯的事整個方法）
  方法替換使用的是棧上替換（On Stack Replacement）

判斷一段代碼是不是熱點代碼，是否需要觸發(fā)即時編譯，這樣的行為成為熱點探測。熱點探測目前流行的有兩種方法

1. 基于采樣的熱點探測
   虛擬機周期性檢查各個線程的棧頂，如果出現(xiàn)某個（或某些）方法經(jīng)常出現(xiàn)在棧頂，那就是熱點方法
2. 基于計數(shù)器的熱點探測
   虛擬機為某個方法或者代碼塊建立計數(shù)器，統(tǒng)計執(zhí)行次數(shù)，如果執(zhí)行次數(shù)超過一定的閾值就認為它是熱點代碼。（閾值：client模式是1500，server模式是10000，可以通過參數(shù)：-XX：CompileThreshold 設置）
   計數(shù)器又分為：
   2.1 方法調(diào)用計數(shù)器

方法調(diào)用計數(shù)器觸發(fā)即時編譯

2.2 回邊計數(shù)器

回邊計數(shù)器觸發(fā)編譯條件

4. 如何從外部觀察即時編譯器編譯過程和編譯結果？
   使用debug，fastdebug版本的虛擬機（JDK6u25之后就不提供下載了），運行時，添加參數(shù)-XX：+PrintCompilation
5. 編譯優(yōu)化項
   代表

• 1 方法內(nèi)聯(lián)：1. 除去方法調(diào)用的成本；2. 為其他優(yōu)化建立良好的基礎

class A {
    int age;

    public int getAge() {
        return age;
    }
}
    public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        int y = a.getAge();
    }
//優(yōu)化后的代碼如下（用Java代碼表示）
  public static void main(String[] args) {
        A a = new A();
        int y = a.age;
    }

• 2 消除冗余代碼
• 3 代碼復寫傳播

int y = 2;
z = y;
int sum = y+ z;
//復寫傳播
y=y;
int sum = y+y;
//消除冗余代碼后
int sum = y+y;

典型代表
1. 公共子表達式消除：如果一個表達式E已經(jīng)計算過了，并且從先前的計算到現(xiàn)在E中的所有變量的值都沒有改變，那么E的這次出現(xiàn)就成為了公共子表達式，也就沒必要再花時間對他進行計算了（若a+b=c, 則int i = a+b+1 --> int i = c+1）
2. 數(shù)組范圍檢查消除：1. 編譯時檢查，2. 通過數(shù)據(jù)流分析
3. 方法內(nèi)聯(lián)：就是把目標方法的代碼拷貝到調(diào)用方，避免發(fā)生真實的方法調(diào)用
4. 逃逸分析（JDK1.6開始）：它并不是直接優(yōu)化代碼的手段，而是為其他優(yōu)化手段提供依據(jù)的分析技術。逃逸分析的基本行為就是分析對象動態(tài)作用域。當一個對象在方法中被定義，通過參數(shù)的形式傳遞到其他方法中，稱為方法逃逸。甚至有可能被外部線程訪問到，譬如賦值給類變量或在其他線程中訪問實例變量，稱為線程逃逸。如果能夠確定一個對象不會逃逸到方法或者線程之外，則可以為這個對象做一些高效的優(yōu)化
4.1 棧上分配：將對象分配在棧上，內(nèi)存空間隨著棧幀出棧而銷毀，減少gc回收的壓力
4.2 同步消除：如果確定一個對象不會逃逸出線程，就無須對這個對象實施通過的措施（線程同步是一個相對耗時的過程）
4.3 標量替換：標量是指不能再拆解的數(shù)據(jù)類型，如原始數(shù)據(jù)類型。如果一個數(shù)據(jù)還能被分解，它就稱為聚合量，如對象。標量替換就是將對象的成員變量替換為原始的數(shù)據(jù)類型。逃逸分析證明一個對象不會被外部訪問，并且這個對象可以被拆解，那么程序執(zhí)行的時候可能就不會真正的創(chuàng)建這個對象，而是創(chuàng)建它的若干個被這個方法訪問的成員變量

6. Java與C++的編譯器對比
   即：即時編譯器與靜態(tài)編譯器的對比

• 1. 即時編譯器占用的是用戶運行的時間，具有很大的時間壓力。而編譯時間成本在靜態(tài)編譯器中并不是主要關注點
• 2. Java語言是動態(tài)類型安全語言。這就意味著由虛擬機來確保程序不會違反語義和非結構化內(nèi)存，這就使得虛擬機得頻繁的動態(tài)檢查空指針，數(shù)組下標范圍，類型轉換等
• 3. Java中雖然沒有virtual關鍵字，但是接受者進行動態(tài)選擇的頻率要遠遠大于C/C++語言，優(yōu)化難度要大于靜態(tài)編譯器
• 4. Java語言是動態(tài)擴展語言，運行時加載新的類可能會改變程序類型的繼承關系
• 5. Java語言中的對象都是在堆上分配，只有方法中的局部變量才在棧上分配。而C/C++則有多種內(nèi)存分配，既可以在堆上，也可以在棧上。C/C++主要是用戶程序代碼回收內(nèi)存分配，因此效率上要高于Java