关于Java的编译执行与解释执行

Posted 2020-11-29 傲娇的大王

编程语言分为低级语言和高级语言，机器语言、汇编语言是低级语言，C、C++、java、python等是高级语言。
机器语言是最底层的语言直接执行，汇编语言通过汇编器翻译成机器指令后执行，一条汇编指令，对应着一条机器指令。
高级语言编程的程序有三种执行方式：

1.一种是编译执行，程序语句先通过编译器（负责将一条语句翻译成多条机器指令）翻译成机器指令然后执行；

2.一种是解释执行，程序语句逐条被解释器解释执行，不需要编译成机器指令；

3.最后一种是编译和解释相结合的执行方式，下面我们来说Java

理解Java的几个编译器

前端编译器：把.java文件转变成.class文件。包括Sun的Javac、Eclipse JDT中的增量式编辑器（ECJ）

后端运行期即时编译器（JIT编译器，Just In Time Compiler）：把字节码转成机器码。包括HotSpot VM的C1、C2编译器

静态提前编译器（AOT编译器，Ahead Of Time Compiler）：把*.java编译成本地机器码。包括GNU Compiler for the Java（GCJ）、Excelsior JET

Java采用的是解释和编译混合的模式

在编译时期，我们通过将源代码编译成.class ，配合JVM这种跨平台的抽象，屏蔽了底层计算机操作系统和硬件的区别，实现了“一次编译，到处运行” 。 而在运行时期，目前主流的JVM 都是混合模式（-Xmixed），即解释运行 和编译运行配合使用。 

Java一开始被定位为“解释执行”的语言，但是现在主流的虚拟机中都包含了即时编译器JIT。

程序从源代码到运行经历阶段：java程序--（编译javac）-->字节码文件.class-->类装载子系统化身为反射类Class--->运行时数据区--->（解释执行+JIT编译器编译）-->操作系统（Win，Linux，Mac JVM）。

.class文件就是可以到处运行的文件。然后Java字节码会被转化为目标机器代码，这是是由JVM来执行的，即Java的第二次编译。

Java采用的是解释和编译混合的模式。它首先通过javac将源码编译成字节码文件class.然后在运行的时候通过解释器或者JIT将字节码转换成最终的机器码。

JIT将字节码转换成最终的机器码：

以 Oracle JDK提供的HotSpot虚拟机为例，在HotSpot虚拟机中，提供了两种编译模式：解释执行 和 即时编译（JIT，Just-In-Time）。解释执行即逐条翻译字节码为可运行的机器码，而即时编译则以方法为单位将字节码翻译成机器码（上述提到的“编译执行”）。前者的优势在于不用等待，后者则在实际运行当中效率更高。

　　即时编译存在的意义在于它是提高程序性能的重要手段之一。根据“二八定律”（即：百分之二十的代码占据百分之八十的系统资源），对于大部分不常用的代码，我们无需耗时间将之编译为机器码，而是采用解释执行的方式，用到就去逐条解释运行；对于一些仅占据小部分的热点代码（可认为是反复执行的重要代码），则可将之翻译为符合机器的机器码高效执行，提高程序的效率，此为运行时的即时编译。

　　为了满足不同的场景，HotSpot虚拟机内置了多个即时编译器：C1,C2与Graal。Graal 是Java10正式引入的实验性即时编译器，在此暂不叙述（其实我不是很了解，尴尬···）。先看一下C1、C2 ，相信大家或多或少接触过。

• C1：即Client编译器，面向对启动性能有要求的客户端GUI程序，采用的优化手段比较简单，因此编译的时间较短。
• C2：即Server编译器，面向对性能峰值有要求的服务端程序，采用的优化手段复杂，因此编译时间长，但是在运行过程中性能更好。

从Java7开始，HotSpot虚拟机默认采用分层编译的方式：热点方法首先被C1编译器编译，而后 热点方法中的热点再进一步被C2编译，根据前面的运行计算出更优的编译优化。为了不干扰程序的正常运行，JIT编译时放在额外的线程中执行的，HotSpot根据实际CPU的资源，以 1:2的比例分配给C1和C2线程数。在计算机资源充足的情况，字节码的解释运行和编译运行时可以同时进行，JIT编译执行完后的机器码会在下次调用该方法时启动，已替换原本的解释执行（意思就是已经翻译出效率更高的机器码，自然替换原来的相对低效率执行的方法）。

　　以上，可以看出在Java中不单单是解释执行，即时编译（编译执行）在Java性能优化中彰显重要的作用，所以现在应该说：Java是解释执行和编译执行共同存在的，至少大部分是这样。

编译与解释的优缺点？

1.一段程序编译会浪费时间，并且移植到其他平台上时还要进行重新编译，但是其编译后生成的可执行文件运行速度快。
2.解释型程序可跨平台执行，无需将全部代码编译之后再运行，能够及时运行，但因为是逐条解释执行所以运行速度不如编译型程序。

单独使用解释器的缺点：

抛弃了JIT可能带来的性能优势。如果代码没有被JIT编译的话，再次运行时需要重复解析。

单独使用JIT编译器的缺点：

需要将全部的代码编译成本地机器码。要花更多的时间，JVM启动会变慢非常多；

增加可执行代码的长度（字节码比JIT编译后的机器码小很多），这将导致页面调度，从而降低程序的速度。

有些JIT编译器的优化方式，比如分支预测，如果不进行profiling，往往并不能进行有效优化。

因此，HotSpot采用了惰性评估(Lazy Evaluation)的做法，根据二八定律，消耗大部分系统资源的只有那一小部分的代码（热点代码），而这也就是JIT所需要编译的部分。JVM会根据代码每次被执行的情况收集信息并相应地做出一些优化，因此执行的次数越多，它的速度就越快。

JDK 9引入了一种新的编译模式AOT(Ahead of Time Compilation)，它是直接将字节码编译成机器码，这样就避免了JIT预热等各方面的开销。JDK支持分层编译和AOT协作使用。

注：JIT为方法级，它会缓存编译过的字节码在CodeCache中，而不需要被重复解释。