Java 是一种跨平台的编程语言。程序源代码会被编译为 字节码bytecode，然后字节码在运行时被转换为 机器码machine code。解释器interpreter 在物理机器上模拟出的抽象计算机上执行字节码指令。即时just-in-time（JIT）编译发生在运行期，而 预先ahead-of-time（AOT）编译发生在构建期。
本文将说明解释器、JIT 和 AOT 分别何时起作用，以及如何在 JIT 和 AOT 之间权衡。
应用程序通常是由 C、C++ 或 Java 等编程语言编写。用这些高级编程语言编写的指令集合称为源代码。源代码是人类可读的。要在目标机器上执行它，需要将源代码转换为机器可读的机器码。这个转换工作通常是由 编译器compiler
然而，在 Java 中，源代码首先被转换为一种中间形式，称为字节码。字节码是平台无关的，所以 Java 被称为平台无关编程语言。Java 编译器 javac 将源代码转换为字节码。然后解释器解释执行字节码。
下面是一个简单的 Java 程序, Hello.java：
//Hello.javapublic class Hello { public static void main(String[] args) { System.out.println("Inside Hello World!"); }}使用 javac 编译它，生成包含字节码的 Hello.class 文件。
$ javac Hello.java$ lsHello.class Hello.java现在，使用 javap 来反汇编 Hello.class 文件的内容。使用 javap 时如果不指定任何选项，它将打印基本信息，包括编译这个 .class 文件的源文件、包名称、公共和受保护字段以及类的方法。
$ javap Hello.classCompiled from "Hello.java"public class Hello { public Hello(); public static void main(java.lang.String[]);}要查看 .class 文件中的字节码内容，使用 -c 选项：
$ javap -c Hello.classCompiled from "Hello.java"public class Hello { public Hello(); Code: 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: return public static void main(java.lang.String[]); Code: 0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: ldc #3 // String Inside Hello World! 5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 8: return}要获取更详细的信息，使用 -v 选项：
$ javap -v Hello.class解释器负责在物理机器上模拟出的抽象计算机上执行字节码指令。当使用 javac 编译源代码，然后使用 java 执行时，解释器在程序运行时运行并完成它的目标。
$ javac Hello.java$ java HelloInside Hello World!JIT 编译器也在运行期发挥作用。当解释器解释 Java 程序时，另一个称为运行时 分析器profiler 的组件将静默地监视程序的执行，统计各部分代码被解释的次数。基于这些统计信息可以检测出程序的 热点hotspot，即那些经常被解释的代码。一旦代码被解释次数超过设定的阈值，它们满足被 JIT 编译器直接转换为机器码的条件。所以 JIT 编译器也被称为分析优化的编译器。从字节码到机器码的转换是在程序运行过程中进行的，因此称为即时编译。JIT 减少了解释器将同一组指令模拟为机器码的负担。
AOT 编译器在构建期编译代码。在构建时将需要频繁解释和 JIT 编译的代码直接编译为机器码可以缩短 Java 虚拟机Java Virtual Machine（JVM） 的预热warm-up时间。（LCTT 译注：Java 程序启动后首先字节码被解释执行，此时执行效率较低。等到程序运行了足够的时间后，代码热点被检测出来，JIT 开始发挥作用，程序运行效率提升。JIT 发挥作用之前的过程就是预热。）AOT 是在 Java 9 中引入的一个实验性特性。jaotc 使用 Graal 编译器（它本身也是用 Java 编写的）来实现 AOT 编译。
以 Hello.java 为例：
//Hello.javapublic class Hello { public static void main(String[] args) { System.out.println("Inside Hello World!"); }}$ javac Hello.java$ jaotc --output libHello.so Hello.class$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:AOTLibrary=./libHello.so HelloInside Hello World!下面通过例子来展示 Java 在什么时候使用解释器，以及 JIT 和 AOT 何时参与进来。这里有一个简单的程序 Demo.java :
//Demo.javapublic class Demo { public int square(int i) throws Exception { return(i*i); } public static void main(String[] args) throws Exception { for (int i = 1; i <= 10; i++) { System.out.println("call " + Integer.valueOf(i)); long a = System.nanoTime(); Int r = new Demo().square(i); System.out.println("Square(i) = " + r); long b = System.nanoTime(); System.out.println("elapsed= " + (b-a)); System.out.println("--------------------------------"); } }}在这个程序的 main() 方法中创建了一个 Demo 对象的实例，并调用该实例的 square()方法，然后显示 for 循环迭代变量的平方值。编译并运行它：
$ javac Demo.java$ java Demo1 iterationSquare(i) = 1Time taken= 8432439--------------------------------2 iterationSquare(i) = 4Time taken= 54631--------------------------------...--------------------------------10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 66498--------------------------------上面的结果是由谁产生的呢？是解释器，JIT 还是 AOT？在目前的情况下，它完全是通过解释产生的。我是怎么得出这个结论的呢？只有代码被解释的次数必须超过某个阈值时，这些热点代码片段才会被加入 JIT 编译队列。只有这时，JIT 编译才会发挥作用。使用以下命令查看 JDK 11 中的该阈值：
$ java -XX:+PrintFlagsFinal -version | grep CompileThreshold intx CompileThreshold = 10000 {pd product} {default}[...]openjdk version "11.0.13" 2021-10-19OpenJDK Runtime Environment 18.9 (build 11.0.13+8)OpenJDK 64-Bit Server VM 18.9 (build 11.0.13+8, mixed mode, sharing)上面的输出表明，一段代码被解释 10,000 次才符合 JIT 编译的条件。这个阈值是否可以手动调整呢？是否有 JVM 标志可以指示出方法是否被 JIT 编译了呢？答案是肯定的，而且有多种方式可以达到这个目的。
使用 -XX:+PrintCompilation 选项可以查看一个方法是否被 JIT 编译。除此之外，使用 -Xbatch 标志可以提高输出的可读性。如果解释和 JIT 同时发生，-Xbatch 可以帮助区分两者的输出。使用这些标志如下：
$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation Demo 34 1 b 3 java.util.concurrent.ConcurrentHashMap::tabAt (22 bytes) 35 2 n 0 jdk.internal.misc.Unsafe::getObjectVolatile (native) 35 3 b 3 java.lang.Object::<init> (1 bytes)[...] 210 269 n 0 java.lang.reflect.Array::newArray (native) (static) 211 270 b 3 java.lang.String::substring (58 bytes)[...]--------------------------------10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 50150--------------------------------注意，上面命令的实际输出太长了，这里我只是截取了一部分。输出很长的原因是除了 Demo 程序的代码外，JDK 内部类的函数也被编译了。由于我的重点是 Demo.java 代码，我希望排除内部包的函数来简化输出。通过选项 -XX:CompileCommandFile 可以禁用内部类的 JIT：
$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler Demo在选项 -XX:CompileCommandFile 指定的文件 hotspot_compiler 中包含了要排除的包：
$ cat hotspot_compilerquietexclude java/* *exclude jdk/* *exclude sun/* *第一行的 quiet 告诉 JVM 不要输出任何关于被排除类的内容。用 -XX:CompileThreshold 将 JIT 阈值设置为 5。这意味着在解释 5 次之后，就会进行 JIT 编译：
$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler /-XX:CompileThreshold=5 Demo 47 1 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(LLLLLL)L (native) (static) 47 2 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(LLLLL)L (native) 47 3 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LLLLLLL)L (native) (static) 48 4 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(L)I (native) (static) 48 5 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic()I (native) 48 6 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LL)I (native) (static)[...] 1 iteration 69 40 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(ILIIL)I (native) (static)[...]Square(i) = 1 78 48 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(ILIJL)I (native) (static) 79 49 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(ILIJ)I (native) [...] 86 54 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(J)L (native) 87 55 n 0 java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LJL)L (native) (static)Time taken= 8962738--------------------------------2 iterationSquare(i) = 4Time taken= 26759--------------------------------10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 26492--------------------------------好像输出结果跟只用解释时并没有什么区别。根据 Oracle 的文档，这是因为只有禁用 TieredCompilation 时 -XX:CompileThreshold 才会生效：
$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler /-XX:-TieredCompilation -XX:CompileThreshold=5 Demo124 1 n java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(LLLLLL)L (native) (static)127 2 n java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(LLLLL)L (native) [...]1 iteration 187 40 n java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(ILIIL)I (native) (static)[...](native) (static) 212 54 n java.lang.invoke.MethodHandle::invokeBasic(J)L (native) 212 55 n java.lang.invoke.MethodHandle::linkToSpecial(LJL)L (native) (static)Time taken= 12337415[...]--------------------------------4 iterationSquare(i) = 16Time taken= 37183--------------------------------5 iteration 214 56 b Demo::<init> (5 bytes) 215 57 b Demo::square (16 bytes)Square(i) = 25Time taken= 983002--------------------------------6 iterationSquare(i) = 36Time taken= 81589[...]10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 52393可以看到在第五次迭代之后，代码片段被 JIT 编译了：
--------------------------------5 iteration 214 56 b Demo::<init> (5 bytes) 215 57 b Demo::square (16 bytes)Square(i) = 25Time taken= 983002--------------------------------可以看到，与 square() 方法一起，构造方法也被 JIT 编译了。在 for 循环中调用 square() 之前要先构造 Demo 实例，所以构造方法的解释次数同样达到 JIT 编译阈值。这个例子说明了在解释发生之后何时 JIT 会介入。
要查看编译后的代码，需要使用 -XX:+PrintAssembly 标志，该标志仅在库路径中有反汇编器时才起作用。对于 OpenJDK，使用 hsdis 作为反汇编器。下载合适版本的反汇编程序库，在本例中是 hsdis-amd64.so，并将其放在 Java_HOME/lib/server 目录下。使用时还需要在 -XX:+PrintAssembly 之前增加 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions 选项。否则，JVM 会给你一个警告。
完整命令如下：
$ java -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler / -XX:-TieredCompilation -XX:CompileThreshold=5 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions / -XX:+PrintAssembly Demo[...]5 iteration 178 56 b Demo::<init> (5 bytes)Compiled method (c2) 178 56 Demo::<init> (5 bytes) total in heap [0x00007fd4d08dad10,0x00007fd4d08dafe0] = 720 relocation [0x00007fd4d08dae88,0x00007fd4d08daea0] = 24[...] handler table [0x00007fd4d08dafc8,0x00007fd4d08dafe0] = 24[...] dependencies [0x00007fd4d08db3c0,0x00007fd4d08db3c8] = 8 handler table [0x00007fd4d08db3c8,0x00007fd4d08db3f8] = 48----------------------------------------------------------------------Demo.square(I)I [0x00007fd4d08db1c0, 0x00007fd4d08db2b8] 248 bytes[Entry Point][Constants] # {method} {0x00007fd4b841f4b0} 'square' '(I)I' in 'Demo' # this: rsi:rsi = 'Demo' # parm0: rdx = int # [sp+0x20] (sp of caller)[...][Stub Code] 0x00007fd4d08db280: movabs $0x0,%rbx ; {no_reloc} 0x00007fd4d08db28a: jmpq 0x00007fd4d08db28a ; {runtime_call} 0x00007fd4d08db28f: movabs $0x0,%rbx ; {static_stub} 0x00007fd4d08db299: jmpq 0x00007fd4d08db299 ; {runtime_call}[Exception Handler] 0x00007fd4d08db29e: jmpq 0x00007fd4d08bb880 ; {runtime_call ExceptionBlob}[Deopt Handler Code] 0x00007fd4d08db2a3: callq 0x00007fd4d08db2a8 0x00007fd4d08db2a8: subq $0x5,(%rsp) 0x00007fd4d08db2ad: jmpq 0x00007fd4d08a01a0 ; {runtime_call DeoptimizationBlob} 0x00007fd4d08db2b2: hlt 0x00007fd4d08db2b3: hlt 0x00007fd4d08db2b4: hlt 0x00007fd4d08db2b5: hlt 0x00007fd4d08db2b6: hlt 0x00007fd4d08db2b7: hlt ImmutableOopMap{rbp=NarrowOop }pc offsets: 96ImmutableOopMap{}pc offsets: 112ImmutableOopMap{rbp=Oop }pc offsets: 148 Square(i) = 25Time taken= 2567698--------------------------------6 iterationSquare(i) = 36Time taken= 76752[...]--------------------------------10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 52888我只截取了输出中与 Demo.java 相关的部分。
现在再来看看 AOT 编译。它是在 JDK9 中引入的特性。AOT 是用于生成 .so 这样的库文件的静态编译器。用 AOT 可以将指定的类编译成 .so 库。这个库可以直接执行，而不用解释或 JIT 编译。如果 JVM 没有检测到 AOT 编译的代码，它会进行常规的解释和 JIT 编译。
使用 AOT 编译的命令如下：
$ jaotc --output=libDemo.so Demo.class用下面的命令来查看共享库的符号表：
$ nm libDemo.so要使用生成的 .so 库，使用 -XX:+UnlockExperimentalVMOptions 和 -XX:AOTLibrary：
$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:AOTLibrary=./libDemo.so Demo1 iterationSquare(i) = 1Time taken= 7831139--------------------------------2 iterationSquare(i) = 4Time taken= 36619[...]10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 42085从输出上看，跟完全用解释的情况没有区别。为了确认 AOT 发挥了作用，使用 -XX:+PrintAOT：
$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:AOTLibrary=./libDemo.so -XX:+PrintAOT Demo 28 1 loaded ./libDemo.so aot library 80 1 aot[ 1] Demo.main([Ljava/lang/String;)V 80 2 aot[ 1] Demo.square(I)I 80 3 aot[ 1] Demo.<init>()V1 iterationSquare(i) = 1Time taken= 7252921--------------------------------2 iterationSquare(i) = 4Time taken= 57443[...]10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 53586要确认没有发生 JIT 编译，用如下命令：
$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -Xbatch -XX:+PrintCompilation / -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler -XX:-TieredCompilation / -XX:CompileThreshold=3 -XX:AOTLibrary=./libDemo.so -XX:+PrintAOT Demo 19 1 loaded ./libDemo.so aot library 77 1 aot[ 1] Demo.square(I)I 77 2 aot[ 1] Demo.main([Ljava/lang/String;)V 77 3 aot[ 1] Demo.<init>()V 77 2 aot[ 1] Demo.main([Ljava/lang/String;)V made not entrant[...]4 iterationSquare(i) = 16Time taken= 43366[...]10 iterationSquare(i) = 100Time taken= 59554需要特别注意的是，修改被 AOT 编译了的源代码后，一定要重新生成 .so 库文件。否则，过时的的 AOT 编译库文件不会起作用。例如，修改 square() 方法，使其计算立方值：
//Demo.javapublic class Demo { public int square(int i) throws Exception { return(i*i*i); } public static void main(String[] args) throws Exception { for (int i = 1; i <= 10; i++) { System.out.println("" + Integer.valueOf(i)+" iteration"); long start = System.nanoTime(); int r= new Demo().square(i); System.out.println("Square(i) = " + r); long end = System.nanoTime(); System.out.println("Time taken= " + (end-start)); System.out.println("--------------------------------"); } }}重新编译 Demo.java：
$ java Demo.java但不重新生成 libDemo.so。使用下面命令运行 Demo：
$ java -XX:+UnlockExperimentalVMOptions -Xbatch -XX:+PrintCompilation -XX:CompileCommandFile=hotspot_compiler -XX:-TieredCompilation -XX:CompileThreshold=3 -XX:AOTLibrary=./libDemo.so -XX:+PrintAOT Demo 20 1 loaded ./libDemo.so aot library 74 1 n java.lang.invoke.MethodHandle::linkToStatic(LLLLLL)L (native) (static)2 iterationsqrt(i) = 8Time taken= 43838--------------------------------3 iteration 137 56 b Demo::<init> (5 bytes) 138 57 b Demo::square (6 bytes)sqrt(i) = 27Time taken= 534649--------------------------------4 iterationsqrt(i) = 64Time taken= 51916[...]10 iterationsqrt(i) = 1000Time taken= 47132可以看到，虽然旧版本的 libDemo.so 被加载了，但 JVM 检测出它已经过时了。每次生成 .class 文件时，都会在类文件中添加一个指纹，并在 AOT 库中保存该指纹。修改源代码后类指纹与旧的 AOT 库中的指纹不匹配了，所以没有执行 AOT 编译生成的原生机器码。从输出可以看出，现在实际上是 JIT 在起作用（注意 -XX:CompileThreshold 被设置为了 3）。
如果你的目标是减少 JVM 的预热时间，请使用 AOT，这可以减少运行时负担。问题是 AOT 没有足够的数据来决定哪段代码需要预编译为原生代码。相比之下，JIT 在运行时起作用，却对预热时间有一定的影响。然而，它将有足够的分析数据来更高效地编译和反编译代码。
本文链接：http://www.28at.com/showinfo-26-17247-0.htmlJVM 解释和编译指南
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