JIT

在Java中，JIT（Just-In-Time）编译器是Java虚拟机（JVM）的一个重要组成部分，它负责将Java字节码转换成特定平台的机器码。这个过程是在Java程序运行时进行的，而非传统的编译过程中。Java的JIT编译器的目的是提高程序的执行效率，特别是对于长时间运行的Java应用来说，JIT编译可以显著提高性能。

这里是Java中代码从编译到运行的基本流程：

1. 编译到字节码：首先，Java源代码被编译成Java字节码（.class文件）。这一步是静态的，发生在程序运行之前。
2. 类加载：当Java程序运行时，Java虚拟机（JVM）会加载这些字节码文件。
3. 字节码解释执行：最初，JVM通过解释器逐条执行字节码。这意味着JVM读取每条指令，然后执行对应的操作。这种方式简单但效率不高。
4. JIT编译：当JVM识别出某些方法或代码块被频繁调用（即“热点代码”），它会使用JIT编译器将这些热点代码从字节码编译成本地机器码。由于机器码可以直接在硬件上执行，这样可以显著提高程序的执行速度。
5. 优化：JIT编译器在编译过程中还会进行各种优化，比如内联、循环展开等，这些优化可以进一步提升代码的执行效率。

Java 程序从源代码到运行的过程如下图所示：

Java程序转变为机器代码的过程

我们需要格外注意的是 .class->机器码 这一步。在这一步 JVM 类加载器首先加载字节码文件，然后通过解释器逐行解释执行，这种方式的执行速度会相对比较慢。而且，有些方法和代码块是经常需要被调用的(也就是所谓的热点代码)，所以后面引进了 JIT（Just in Time Compilation） 编译器，而 JIT 属于运行时编译。当 JIT 编译器完成第一次编译后，其会将字节码对应的机器码保存下来，下次可以直接使用。而我们知道，机器码的运行效率肯定是高于 Java 解释器的。这也解释了我们为什么经常会说 Java 是编译与解释共存的语言 。

JDK、JRE、JVM、JIT 这四者的关系如下图所示。

为什么说 Java 语言“编译与解释并存”？

我们可以将高级编程语言按照程序的执行方式分为两种：

• 编译型：编译型语言 会通过编译器将源代码一次性翻译成可被该平台执行的机器码。一般情况下，编译语言的执行速度比较快，开发效率比较低。常见的编译性语言有 C、C++、Go、Rust 等等。
• 解释型：解释型语言会通过解释器一句一句的将代码解释（interpret）为机器代码后再执行。解释型语言开发效率比较快，执行速度比较慢。常见的解释性语言有 Python、JavaScript、PHP 等等。

编译型语言和解释型语言

根据维基百科介绍：

为什么说 Java 语言“编译与解释并存”？

这是因为 Java 语言既具有编译型语言的特征，也具有解释型语言的特征。因为 Java 程序要经过先编译，后解释两个步骤，由 Java 编写的程序需要先经过编译步骤，生成字节码（.class 文件），这种字节码必须由 Java 解释器来解释执行。

JIT原理

要深入理解Java中JIT（Just-In-Time）编译器的原理，我们需要从Java虚拟机（JVM）的架构和JIT编译的工作流程入手。

JVM 架构简览

JVM主要由以下几个部分组成：

1. 类加载器（Class Loaders）：负责加载类文件。
2. 运行时数据区（Runtime Data Areas）：存储各种运行时数据，包括堆（Heap）、栈（Stacks）、方法区（Method Area）、程序计数器（Program Counter Register）等。
3. 执行引擎（Execution Engine）：将字节码转换为机器码并执行。执行引擎中包括解释器（Interpreter）和JIT编译器。

JIT 编译流程

JIT编译器的工作流程大致如下：

1. 解释执行：最初，执行引擎使用解释器逐条解释执行字节码。这种执行方式容易实现，但效率不高。
2. 识别热点代码：JVM监控各个方法的执行情况，识别出被频繁执行的方法或代码块，即“热点代码”（Hot Spot Code）。
3. 编译热点代码：JIT编译器将这些热点代码编译成相应平台的机器码。这个过程中，JIT编译器还会应用多种优化技术，比如方法内联、循环展开等，以提高代码的执行效率。
4. 替换与执行：编译生成的机器码将替换原先的字节码执行路径。当再次执行到这些代码时，JVM将直接执行对应的机器码，从而提高执行效率。

JIT 编译器的实现

Java中的JIT编译器实现较为复杂，主要体现在优化策略和代码生成上。比如，OpenJDK中就包含了一个非常著名的JIT编译器：HotSpot VM。

优化策略

JIT编译器在将字节码转换成机器码的过程中，会应用一系列的优化策略来提高程序的执行效率。这些优化策略主要包括：

• 死码删除（Dead Code Elimination）：编译器会识别并删除那些不会影响程序最终结果的代码段，例如永远不会被执行到的代码（dead code）。
• 循环优化（Loop Optimization）：循环是程序中常见的热点，因此循环优化是JIT编译器的重点。这包括循环展开（减少循环次数来减小循环开销）和循环融合等技术。
• 方法内联（Method Inlining）：将一个方法的内容直接替换到调用该方法的位置，以减少方法调用的开销。如果一个方法较小且频繁被调用，将其内联可以显著提高性能。
• 逃逸分析（Escape Analysis）：分析对象的作用域和生命周期，如果对象不会“逃逸”出方法或线程，可能会被优化成栈上分配，减少垃圾收集的压力。

方法内联

方法内联它会把一些短小的方法体，直接纳入目标方法的作用范围之内，就像是直接在代码块中追加代码。这样，就少了一次方法调用，执行速度就能够得到提升，这就是方法内联的概念。

可以使用 -XX:-Inline 参数来禁用方法内联，如果想要更细粒度的控制，可以使用 CompileCommand 参数，例如：

ini代码解读
复制代码-XX:CompileCommand=exclude,java/lang/String.indexOf

在 JDK 的源码里，也有很多被 @ForceInline注解的方法，这些方法，会在执行的时候被强制进行内联；而被@DontInline注解的方法，则始终不会被内联。

JIT 编译之后的二进制代码，是放在 Code Cache 区域里的。这个区域的大小是固定的，而且一旦启动无法扩容。如果 Code Cache 满了，JVM 并不会报错，但会停止编译。所以编译执行就会退化为解释执行，性能就会降低。不仅如此，JIT 编译器会一直尝试去优化你的代码，造成 CPU 占用上升。

通过参数 -XX:ReservedCodeCacheSize 可以指定 Code Cache 区域的大小，如果你通过监控发现空间达到了上限，就要适当的增加它的大小。

逃逸分析

下面着重讲解一下逃逸分析，这个知识点在面试的时候经常会被问到。

有这样一个问题：我们常说的对象，除了基本数据类型，一定是在堆上分配的吗？

答案是否定的，通过逃逸分析，JVM 能够分析出一个新的对象的使用范围，从而决定是否要将这个对象分配到堆上。逃逸分析现在是 JVM 的默认行为，可以通过参数-XX:-DoEscapeAnalysis 关掉它。

那什么样的对象算是逃逸的呢？可以看一下下面的两种典型情况。

如代码所示，对象被赋值给成员变量或者静态变量，可能被外部使用，变量就发生了逃逸。

public class EscapeAttr {Object attr;public void test() {attr = new Object();}
}

再看下面这段代码，对象通过 return 语句返回。由于程序并不能确定这个对象后续会不会被使用，外部的线程能够访问到这个结果，对象也发生了逃逸。

public class EscapeReturn {Object attr;public Object test() {Object obj = new Object();return obj;}
}

那逃逸分析有什么好处呢？

「1. 栈上分配」

如果一个对象在子程序中被分配，指向该对象的指针永远不会逃逸，对象有可能会被优化为栈分配。栈分配可以快速地在栈帧上创建和销毁对象，不用再分配到堆空间，可以有效地减少 GC 的压力。

「2. 分离对象或标量替换」

但对象结构通常都比较复杂，如何将对象保存在栈上呢？

JIT 可以将对象打散，全部替换为一个个小的局部变量，这个打散的过程，就叫作标量替换（标量就是不能被进一步分割的变量，比如 int、long 等基本类型）。也就是说，标量替换后的对象，全部变成了局部变量，可以方便地进行栈上分配，而无须改动其他的代码。

从上面的描述我们可以看到，并不是所有的对象或者数组，都会在堆上分配。由于JIT的存在，如果发现某些对象没有逃逸出方法，那么就有可能被优化成栈分配。

「3.同步消除」

如果一个对象被发现只能从一个线程被访问到，那么对于这个对象的操作可以不考虑同步。

注意这是针对 synchronized 来说的，JUC 中的 Lock 并不能被消除。

要开启同步消除，需要加上 -XX:+EliminateLocks 参数。由于这个参数依赖逃逸分析，所以同时要打开 -XX:+DoEscapeAnalysis 选项。

比如下面这段代码，JIT 判断对象锁只能被一个线程访问，就可以去掉这个同步的影响。

public class SyncEliminate {public void test() {synchronized (new Object()) {}}
}