“代码跑着跑着，就变快了？”——揭秘 Java 性能幕后引擎：即时编译器

HotSpot 虚拟机内部集成了两个即时编译器，分别被称为 C1 编译器（Client Compiler/ Quick Complier）和 C2 编译器（Server Compiler）。自 Java 9 起，-server 模式（即启用 C2 编译器或分层编译）是默认选项，-client 选项通常会被忽略。C1 编译器的启动速度较快，主要关注局部的、简单且可靠的优化策略，例如方法内联、常量传播、死代码消除、冗余消除等。相比之下，C2 编译器则专注于全局优化，这些优化通常需要更长的编译时间，甚至会根据性能监控（profiling）数据进行一些激进但不一定可靠的优化，例如更复杂的内联决策、逃逸分析、循环优化、向量化等。C2 编译器的性能通常比 C1 编译器高出 30%以上，因此更适合长时间运行的后台程序。从 Java 7 开始引入，并在 Java 8 中成为默认策略（当 C2 可用时），分层编译结合了 C1 的快速启动和 C2 的高峰值性能。它将编译过程划分为 5 个层次。1）第 0 层：解释执行收集性能监控数据，主要是方法调用计数器和循环回边计数器。2）第 1 层：C1 编译器（Simple C1）不进行 Profiling，快速编译为本地代码。3）第 2 层：C1 编译器（Limited Profile C1）进行少量的 Profiling（调用次数、循环次数）。4）第 3 层：C1 编译器（Full Profile C1）进行全面的 Profiling，收集包括分支频率、类型信息等更详细的数据，为 C2 做准备。5）第 4 层：C2 编译器利用 C1 收集到的详尽 Profiling 数据，进行最大程度的优化编译。性能监控是在程序执行过程中收集反映代码执行状态的数据，如方法调用频率、循环执行频率、分支跳转信息、类型剖面等。这些数据是即时编译器（尤其是 C2）做出明智优化决策的依据。性能监控的精度越高，其带来的额外性能开销就越大。最基本的是方法调用计数器和循环回边计数器，用于识别热点代码并触发即时编译。编译阈值是动态的，并且受分层编译策略的影响，但传统的 Client 模式下默认阈值约为 1500 次调用，Server 模式下约为 10000 次调用（这些具体数字可能随 JDK 版本和模式变化）。

方法调用计数器方法调用计数器（Invocation counter），顾名思义，这个计数器就是用于统计方法被调用的次数。需注意该计数器统计的非绝对次数，而是衡量一个相对的执行频率。当超过一定的时间限度，如果方法的调用次数仍不足以触发即时编译，那这个方法的调用计数会被减少一半，这个过程称为热度的衰减 (Counter decay)，而这段时间就称为此方法统计的半衰周期 (Counter half life time)。

@RequestMapping(value = "/input")public CommonResponse input(@RequestBody InputRequest request) {     // 如果 input 方法本身成为热点，它会被JIT编译。     // JIT编译器可能会决定将 doSomething 方法内联到 input 方法中，     // 如果 doSomething 方法符合内联条件（如方法体小、调用频繁等）。     return CommonResponse.ok(doSomething(request));}    public void doSomething(InputRequest request) {     // 如果 doSomething 方法自身被频繁调用（无论是直接调用还是通过 input 间接调用），     // 并且达到了编译阈值，它也会被JIT编译成本地机器码。     // ... 复杂的业务逻辑 ...}

循环回边计数器循环回边计数器（Loop backEdge counter）会对程序中的循环进行计数。每当程序执行一次循环的回边（即从循环的末尾跳回到循环的开始），循环回边计数器的值就会增加。

void loop() {    int sum = 0;    for (int i = 0; i < 10; i++) {        sum += i;    }}

上面这段代码经过编译生成下面的字节码：

  public void loop();    Code:       0: iconst_0       1: istore_1       2: iconst_0       3: istore_2       4: iload_2       5: bipush        10       7: if_icmpge     20      10: iload_1      11: iload_2      12: iadd      13: istore_1      14: iinc          2, 1      17: goto          4      20: return

在上述字节码中，循环回边计数器被存储在第 7 行的 if_icmpge 指令中。if_icmpge 指令用于接收两个操作数用于比较计算，以决定循环体跳转的位置。在解释执行时，每当运行一次该指令，该方法的循环回边计数器加 1。循环回边计数器触发的优化编译技术叫作栈上替换 （On stack replacement，OSR） 。假设有一个方法只被调用一次，但却包含超过一万次以上循环迭代次数，这个循环方法无法以方法调用计数来统计。而栈上替换技术解决了这个问题。当编译器检测到一个循环已经迭代次数达到阈值时，动态地将这个循环（以及包含它的方法的一部分）编译成本地机器码，并让当前正在执行的线程“切换”到新编译的代码上继续执行循环，而无需等待方法调用结束。

void largeLoop() {   // 假设此方法只被调用一次    long sum = 0;    // 1. 循环回边计数器通过迭代统计，即使方法调用次数少，此循环也会变热。    // 2. 当达到OSR阈值，JIT会将循环部分编译成本地机器码。    // 3. 正在执行的线程会从解释执行（或C1代码）的循环“栈上替换”到新编译的C2代码。    for (int i = 0; i < 100000000; i++) { // 非常大的循环次数        sum += i;        // ... 其他操作 ...    }    System.out.println(sum);}

未完待续

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