16 JVM即时编译（上）：JIT编译原理与分层编译

即时编译（JIT）是 JVM 提升性能的核心技术。它将频繁执行的字节码编译为本地机器码，显著提高程序的运行速度。本文将深入探讨 JIT 编译的原理、分层编译策略以及编译器的选择。

一、JIT 编译的基本概念

什么是 JIT 编译

JIT（Just-In-Time）编译是指在程序运行时，将字节码动态编译为本地机器码的过程。与静态编译（如 C++）不同，JIT 编译发生在运行时，可以利用运行时信息进行优化。

JIT 编译的优势

1. 运行时优化：可以根据实际执行情况进行优化
2. 动态调整：可以根据程序行为调整优化策略
3. 跨平台性：保持 Java 的跨平台特性

JIT 编译与解释执行的对比

特性	解释执行	JIT 编译
启动速度	快	慢（需要编译时间）
运行速度	慢	快（本地机器码）
内存占用	低	高（需要存储编译后的代码）
优化能力	有限	强大（可以进行深度优化）

二、热点代码的识别

什么是热点代码

热点代码是指在程序执行过程中被频繁调用的代码，通常包括：

• 热点方法：被多次调用的方法
• 热点循环：循环体被多次执行

热点代码的判定

JVM 使用方法调用计数器和循环回边计数器来识别热点代码：

1. 方法调用计数器：记录方法被调用的次数
2. 循环回边计数器：记录循环体被执行的次数

触发 JIT 编译的条件

当方法调用计数器或循环回边计数器超过阈值时，触发 JIT 编译：

• 默认阈值：方法调用 10000 次，循环回边 100000 次
• 可以通过 -XX:CompileThreshold 参数调整

三、分层编译策略

分层编译的目的

分层编译是 Java 7 引入的默认编译策略，旨在平衡启动速度和运行性能：

1. 快速启动：初始阶段使用解释执行或简单编译
2. 逐步优化：随着程序运行，逐步进行深度优化

分层编译的层次

层次	编译类型	优化程度	编译速度
Level 0	解释执行	无	最快
Level 1	C1 编译（简单优化）	低	快
Level 2	C1 编译（完全优化）	中	中等
Level 3	C1 编译（带分析信息）	中	中等
Level 4	C2 编译	高	慢

分层编译的流程

解释执行（Level 0）
    ↓
C1 简单编译（Level 1）
    ↓
C1 完全编译（Level 2）
    ↓
C1 带分析信息编译（Level 3）
    ↓
C2 深度编译（Level 4）

四、即时编译器的选择

C1 编译器（Client Compiler）

设计目标：快速编译，适用于客户端应用

优化策略：

• 简单的优化（内联、常量传播等）
• 快速生成代码
• 启动速度快

适用场景：

• GUI 应用
• 桌面应用
• 小程序

C2 编译器（Server Compiler）

设计目标：深度优化，适用于服务器端应用

优化策略：

• 复杂的优化（循环展开、向量化等）
• 生成高度优化的代码
• 运行速度快

适用场景：

• Web 服务器
• 数据库服务器
• 大型企业应用

Graal 编译器

设计目标：通用性和可扩展性

特点：

• 用 Java 实现的编译器
• 支持多种语言
• 实验性编译器（Java 10+）

五、JIT 编译的过程

编译触发

1. 方法调用触发：方法调用次数超过阈值
2. 循环触发：循环体执行次数超过阈值
3. 手动触发：使用 JVMCI API 手动触发

编译线程

JVM 使用专门的编译线程进行 JIT 编译：

• 编译线程与应用线程并行执行
• 根据 CPU 核数自动调整编译线程数
• C1 和 C2 编译线程比例为 1:2

编译结果

编译后的机器码存储在代码缓存中：

• 下次调用同一方法时直接使用编译后的代码
• 代码缓存大小可以通过参数调整
• 编译后的代码可以被垃圾回收

六、JIT 编译的监控与调优

JIT 编译的监控

// 使用 jstat 监控 JIT 编译
jstat -compiler <pid>
jstat -printcompilation <pid>
​
// 使用 JVM 参数输出编译日志
java -XX:+PrintCompilation MyApp
java -XX:+PrintCompilation -XX:+PrintInlining MyApp

JIT 编译的调优参数

参数	说明	默认值
-XX:CompileThreshold	触发 JIT 编译的阈值	10000
-XX:TieredCompilation	是否启用分层编译	true
-XX:CICompilerCount	编译线程数	CPU 核心数
-XX:+UseC1Compiler	使用 C1 编译器	false
-XX:+UseC2Compiler	使用 C2 编译器	true
-XX:+UseGraalCompiler	使用 Graal 编译器	false

编译日志分析

// 编译日志示例
1    java.lang.String::hashCode (60 bytes)
2    java.lang.String::indexOf (156 bytes)
3    java.util.ArrayList::size (5 bytes)   made not entrant
4    java.util.ArrayList::size (5 bytes)   made zombie

关键信息：

• 方法名和字节码大小
• made not entrant：方法被替换
• made zombie：方法被废弃

七、总结

JIT 编译是 JVM 提升性能的核心技术：

1. 基本概念：运行时将字节码编译为本地机器码
2. 热点识别：通过方法调用计数器和循环回边计数器
3. 分层编译：平衡启动速度和运行性能
4. 编译器选择：C1（客户端）、C2（服务器）、Graal（实验性）
5. 监控调优：使用 jstat 和 JVM 参数

理解 JIT 编译的原理，有助于我们写出更高效的代码，并进行有效的 JVM 调优。