JVM源码剖析之JIT工作流程

版本信息：

jdk版本：jdk8u40

思想至上

Hotspot中执行引擎分为解释器、JIT及时编译器，上篇文章描述到解释器过度到JIT的条件。JVM源码剖析之达到什么条件进行JIT优化 这篇文章大致讲述JIT的编译过程。在JDK中javac和JIT两部分跟编译原理挂钩，而编译原理抛开内部实现的算法，从思想的角度出发可以分为前端、中间IR、后端，见图1.1描述。比如拿javac举例，开发人员编写好xxx.java 文件，通过javac命令把xxx.java 文件编译成 xxx.class二进制文件交给JVM执行，其中编译的流程就如图1.1的流程。

图1.1 编译原理思想图

而本文论述JIT，所以我们需要把编译原理的思想带入到JIT中，见图1.2，这里的输入为达到JIT编译阈值的方法对应的字节码，经过前端、中间IR语言、后端（这里为了容易理解，把前端、中间IR语言、后端想象成一个编译的黑盒程序）后得到输出结果为ISA指令集（ISA：CPU平台可执行指令）

图1.2 JIT的编译思想图

源码论证

流程图先放在最前面，如图1.3

图1.3 JIT工作流程

由图1.3可以得知Java工作线程（Java项目中运行的线程）和编译线程之间通过队列来通信（当然，这也是线程通信的最基本方式），CompileTask作为通信的载体，当Java线程执行某个方法当方法达到JIT优化的阈值或者回边计数器达到了阈值，此时会创建CompileTask投递到CompileQueue队列中。

/*
method_invocation_event->compile->submit_compile->compile_method->compile_method_base->create_compile_task
*/
// src/share/vm/compiler/compileBroker.cpp 文件中
CompileTask* CompileBroker::create_compile_task(CompileQueue* queue,int           compile_id,methodHandle  method,int           osr_bci,int           comp_level,methodHandle  hot_method,int           hot_count,const char*   comment,bool          blocking) {CompileTask* new_task = allocate_task();new_task->initialize(compile_id, method, osr_bci, comp_level,hot_method, hot_count, comment,blocking);// 给CompilerThread线程对应的队列投递编译任务。queue->add(new_task);return new_task;
}

java工作线程给编译线程队列投递任务后，此时编译线程开始干活，接收队列的compileTask任务，开始执行编译工作

// src/share/vm/compiler/compileBroker.cpp 文件中
void CompileBroker::compiler_thread_loop() {CompilerThread* thread = CompilerThread::current();// 拿到当前编译线程对应的队列CompileQueue* queue = thread->queue();…………while (!is_compilation_disabled_forever()) {// 从队列中获取到任务CompileTask* task = queue->get();if (task == NULL) {continue;}…………// 执行任务invoke_compiler_on_method(task);}
}

接下来的编译工作需要区分c1还是c2编译器，这个在Java工作线程投递compileTask任务的时候就已经确定（因为在检查阈值的时候即可确定）。在Hotspot中c1编译器用Compiler类作为抽象，c2编译器使用C2Compiler类作为抽象，不管是c1和c2都继承与AbstractCompiler，AbstractCompiler类中给予编译器公共的抽象。为了篇幅的简单，我们采用c1，也叫做client编译器。

/*
invoke_compiler_on_method->Compiler::compile_method(Compiler为c1编译器)->Compilation::Compilation->Compilation::compile_method
*/

// src/share/vm/c1/c1_Compilation.cpp 文件中
void Compilation::compile_method() {…………// compile methodint frame_size = compile_java_method();if (InstallMethods) {		// 在c1编译器中，默认为true，也即编译完成后安装机器码。// 安装代码（实际上就是把机器码执行地址放入Method对象中，下次执行方法就会执行JIT编译好的代码）install_code(frame_size);}…………
}int Compilation::compile_java_method() {// 从方法字节码构建出HIR中间语言。{PhaseTraceTime timeit(_t_buildIR);build_hir();}// 从HIR中间语言构建出LIR中间语言{PhaseTraceTime timeit(_t_emit_lir);_frame_map = new FrameMap(method(), hir()->number_of_locks(), MAX2(4, hir()->max_stack()));emit_lir();}// 从LIR中间语言生成机器代码{PhaseTraceTime timeit(_t_codeemit);return emit_code_body();}
}

整个c1编译器的编译过程就论述完毕了（仅仅是宏观上，微观上还存在众多算法和平台指令的生成，这个跟编译原理的算法和Hotspot中JIT优化的思想有关，这里不做论述）

这里对IR中间语言做一个简单的论述，为什么Hotspot中JIT需要存在HIR和LIR 2个中间语言呢？在编译原理中，IR的作用是承上启下，由于中间层的出现，这也让前端和后端更加灵活多变，此时，这也让笔者不经想起一句话" 计算机的世界没有加一个中间层解决不了的问题,如果不行,那就再加一层 "，并且有了中间层的出现，便可以在中间表示层做你想做的语言优化工作。说回Hotspot中，既然分了HIR（High-level Intermediate Representation）和LIR（Low-level Intermediate Representation）两层中间层，所以抽象的行为更加的具体，并且模块化更细粒度。HIR在JIT中是平台无关的中间语言，这一层完全可以用来对接字节码，并且做优化工作，优化完毕后，生成LIR中间语言，而LIR中间语言与平台相关，可以说已经非常接近平台相关指令（机器语言），这一层便可以做平台相关的优化工作。一层一层的过度，这像不像解释器过度到JIT的过程。

在GCC编译器中IR中间层就分为GENERIC、GIMPLE、RTL，也是一层一层的过度，最终RTL最接近机器语言的表现形式

在Coins编译器中，IR中间层也是分为HIR、LIR，跟Hotspot一样，从HIR过度到LIR，LIR接近机器语言的表现形式。