执行引擎
一、执行引擎概述
- 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（栈）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。元数据定位目标对象的类型信息。（对象头中的元数据指针指向方法区引用的对象类型，通过局部变量表定位对象实例信息。）
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。（可以看做黑箱操作，只用关心输入和输出）
二、Java代码编译和执行的过程
1.java代码编译、执行过程
大部分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钱，要执行以下步骤
橙色步骤是javac也就是前端编译器的步骤，之后有绿色、蓝色两条路可选
绿色是解释器执行过程；蓝色是即时编译器执行过程
具体拆分，在橙色部分，就还只是javac的字节码编译阶段
字节码执行是由Jvm的执行引擎完成
2.解释器与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即时编译器：虚拟机将源代码直接编译成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？
因为jvm在执行java代码的时候，通常会将解释执行与编译执行两者相结合
三、机器码、指令、汇编语言和高级语言
1.机器码
- 各种用二进制编码方式表示的指令（010101…），叫做机器指令码。开始，人们就用它采编写程序，这就是机器语言。
- 机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，并且用它编程容易出差错。
- 用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。
- 机器指令与CPU紧密相关，所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同。
2.指令
- 由于机器码是有0和1组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。
- 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（一般为英文简写，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（比如mov），对应的机器码也可能不同。
3.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。
- 如常见的
- 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
4.汇编语言
- 由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。
- 在汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或标号（Label）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，所以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。
5.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。
6.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。
字节码具有跨平台的特点
在java中，是由java程序编译成字节码文件，然后通过执行引擎翻译成能和各个操作系统交互
四、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。
一共两套解释器，一个是字节码解释器，一个是现在普遍使用的模板解释器
字节码解释器使用效率比较低下
模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数直接产生这个字节码执行的机器码，大大提高效率
在HotSpot VM中，解释器主要由Interpreter模块和Code模块构成。
- Interpreter模块：实现了解释器的核心功能
- Code模块：用于管理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令
五、JIT编译器
1.概念
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。
相较于解释器而言，解释器是可以看成是一点点编译，前期速度快，后期慢；而即时编译器是转换成机器指令后一次编译，前期等待时间比解释器长，但是后续处理速度非常快
2.热点代码和探测方式
1.方法调用计数器
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来人为设定。
热点代码被编译后的机器指令存储在方法区
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。
这里存在一个热度衰减概念
- 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。
2.回编计数器
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）。显然，建立回边计数器统计的目的就是为了触发OSR编译
3.解释器存在的必要性
既然有如此高效的即时编译器，为何还需要解释器？
主要原因就是：当程序启动后，解释器可以马上发挥作用，省去编译的时间，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，执行效率高。
对于服务端应用来说，启动时间并非是关注重点，但对于那些看中启动时间的应用场景而言，或许就需要采用解释器与即时编译器并存的架构来换取一一个平衡点。在此模式下，当Java虚拟器启动时，解释器可以首先发挥作用，而不必等待即时编译器全部编译完成后再执行，这样可以省去许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。
同时，解释执行在编译器进行激进优化不成立的时候，作为编译器的“逃生门”。
4.Hotspot VM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。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。
注意：64位操作系统默认使用-server服务器模式，即C2编译器。1.7以后使用-server也可以使用分层编译，可以用到C1
总而言之，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编译器慢，系统稳定执行以后，C2编译器执行速度远远快于C1编译器。
六、Hotspot VM设置程序执行方式
1执行方式
缺省情况下，Hotspot VM采取解释器与即时编译器并存的架构，也可以使用命令进行修改：
- -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。