关键要点

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  • Java的C2 JIT编译器寿终正寝。\\t
  • 新的JVMCI编译器接口支持可插拔编译器。\\t
  • 甲骨文开发了Graal，一个用Java编写的JIT，作为潜在的编译器替代方案。\\t
  • Graal也可以独立运行，是新平台的主要组件。\\t
  • GraalVM是下一代VM，支持多种语言（不仅仅是那些可编译为JVM字节码的语言）。\

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甲骨文的Java实现是基于开源的OpenJDK项目，其中包括自Java 1.3以来一直存在的HotSpot虚拟机。HotSpot包含两个独立的JIT编译器，分别是C1和C2（有时称为“客户端”编译器和“服务器端”编译器），现在的Java通常会在运行程序期间同时使用这两个JIT编译器。

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Java程序首先在解释模式下启动，在运行了一段时间之后，经常被调用的方法会被识别出来，并使用JIT编译器进行编译——先是使用C1，如果HotSpot检测到这些方法有更多的调用，就使用C2重新编译这些方法。这种策略被称为“分层编译”，是HotSpot默认采用的方式。

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对于大多数Java应用程序来说，C2编译器是整个运行环境中最重要的一个部分，因为它为程序中最重要的部分代码生成了高度优化的机器码。

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C2非常成功，可以生成与C++相媲美（甚至比C++更快）的代码，这要归功于C2的运行时优化，而这些在AOT（Ahead of Time）编译器（如gcc或Go编译器）中是没有的。

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不过，近年来C2并没有带来多少重大的改进。不仅如此，C2中的代码变得越来越难以维护和扩展，新加入的工程师很难修改使用C++特定方言编写的代码。

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事实上，人们（Twitter等公司以及像Cliff Click这样的专家）普遍认为，在当前的基础上根本不可做出重大的改进。也就是说，任何后续的C2改进都是微不足道的。

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在最近发布的版本中有一些改进，比如使用了更多的JVM内联函数（intrinsic），文档中是这样描述的这项技术的（主要用于描述@HotSpotIntrinsicCandidate注解）：

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如果HotSpot VM使用手写汇编或手写编译器IR（一种旨在提升性能的编译器内联函数）替换带注解的方法，那么这个方法就是内联的。

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JVM在启动时会探测它运行在哪个处理器上，因此JVM可以准确地知道CPU支持哪些特性。它创建了一个特定于当前处理器的内联函数表，也就是说JVM可以充分利用硬件的能力。

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这与AOT编译不同，后者在编译时考虑的是通用芯片，并对可用的特性做出保守的假设，因为如果AOT编译的二进制文件在运行时试图执行当前CPU不支持的指令，就会崩溃。

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HotSpot已经支持了不少内联函数——例如众所周知的Compare-And-Swap（CAS）指令，可用于实现原子整数等功能。在几乎所有的现代处理器上，这都是通过单个硬件指令来实现的。

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JVM预先知道这些内联函数，并依赖于操作系统或CPU架构对特定功能的支持。因此，它们特定于平台，并非每个平台都支持所有的内联函数。

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一般来说，内联函数应该被视为点修复，而不是一种通用技术。它们具有强大、轻量级和灵活的优点，但要支持多种架构，带来了潜在的高开发和维护成本。

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因此，尽管在内联函数方面取得了进展，但不管怎样，C2已经走到了生命的尽头，必须被替换掉。

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甲骨文最近宣布推出第一版GraalVM，这是一个研究项目，可能会成为HotSpot的替代方案。

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Java开发人员可以认为Graal是由几个独立但互相关联的项目组成的——它既是HotSpot的新型JIT编译器，也是一个新的多语言虚拟机。我们使用Graal来称呼这个新的编译器，使用GraalVM来称呼这个新虚拟机。

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Graal的总体目标是重新思考如何更好地编译Java（以及GraalVM支持的其他语言）。Graal最初的出发点非常简单：

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Java的（JIT）编译器将字节码转换为机器码——在Java中，只不过是从一个byte[]到另一个byte[]的转换——那么如果转换代码是用Java编写的话会怎样呢？

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事实证明，用Java编写编译器有如下的一些优点：

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  • 工程师开发新编译器的进入门槛要低得多。\\t
  • 编译器的内存安全性。\\t
  • 能够利用成熟的Java工具进行编译器开发。\\t
  • 更快的新编译器功能原型设计。\\t
  • 编译器可以独立于HotSpot。\\t
  • 编译器能够自己编译自己，以生成更快的JIT编译版本。\

Graal使用了新的JVM编译器接口（JVMCI，对应JEP 243），可以用在HotSpot中，也可以作为GraalVM的主要组成部分。Graal已经发布，尽管它在Java 10中仍然是处于实验性阶段。要切换到新的JIT编译器，可以这样做：

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\-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+EnableJVMCI -XX:+UseJVMCICompiler

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我们可以通过三种不同的方式运行一个简单的程序——使用常规的分层编译器，或者使用Java 10上的Graal，或者使用GraalVM本身。

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为了展示Graal的效果，我们使用了一个简单的例子，它可以长时间运行，这样就看到编译器的启动过程——进行简单的字符串哈希：

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package kathik;\\public final class StringHash {\\    public static void main(String[] args) {\        StringHash sh = new StringHash();\        sh.run();\    }\\    void run() {\        for (int i=1; i\u0026lt;2_000; i++) {\            timeHashing(i, 'x');\        }\    }\\    void timeHashing(int length, char c) {\        final StringBuilder sb = new StringBuilder();\        for (int j = 0; j \u0026lt; length  * 1_000_000; j++) {\            sb.append(c);\        }\        final String s = sb.toString();\        final long now = System.nanoTime();\        final int hash = s.hashCode();\        final long duration = System.nanoTime() - now;\        System.out.println(\"Length: \"+ length +\" took: \"+ duration +\" ns\");\    }\}\

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我们可以设置PrintCompilation标记来执行此代码，这样就可以看到被编译的方法（它还提供了一个基线，可与Graal运行进行比较）：

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\java -XX:+PrintCompilation -cp target/classes/ kathik.StringHash \u0026gt; out.txt

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要查看Graal在Java 10上运行的效果：

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java -XX:+PrintCompilation \\\     -XX:+UnlockExperimentalVMOptions \\\     -XX:+EnableJVMCI \\\     -XX:+UseJVMCICompiler \\\     -cp target/classes/ \\\     kathik.StringHash \u0026gt; out-jvmci.txt

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对于GraalVM：

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java -XX:+PrintCompilation \\\     -cp target/classes/ \\\     kathik.StringHash \u0026gt; out-graal.txt

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这些将生成三个输出文件——前200次调用timeHashing()后生成的输出看起来像这样：

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$ ls -larth out*\-rw-r--r--  1 ben  staff    18K  4 Jun 13:02 out.txt\-rw-r--r--  1 ben  staff   591K  4 Jun 13:03 out-graal.txt\-rw-r--r--  1 ben  staff   367K  4 Jun 13:03 out-jvmci.txt

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正如预期的那样，Graal会产生更多的输出——这是由于PrintCompilation输出的不同。不过这一点也不足为奇——Graal首先要编译JIT编译器，所以在VM启动后的前几秒内会有大量的JIT编译器预热动作。

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让我们看一下在Java 10上使用Graal编译器的JIT输出（常规的PrintCompilation格式）：

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$ grep graal out-jvmci.txt | head\    229  293       3       org.graalvm.compiler.hotspot.HotSpotGraalCompilerFactory::adjustCompilationLevelInternal (70 bytes)\    229  294       3       org.graalvm.compiler.hotspot.HotSpotGraalCompilerFactory::checkGraalCompileOnlyFilter (95 bytes)\    231  298       3       org.graalvm.compiler.hotspot.HotSpotGraalCompilerFactory::adjustCompilationLevel (9 bytes)\    353  414   !   1       org.graalvm.compiler.serviceprovider.JDK9Method::invoke (51 bytes)\    354  415       1       org.graalvm.compiler.serviceprovider.JDK9Method::checkAvailability (37 bytes)\    388  440       1       org.graalvm.compiler.hotspot.HotSpotForeignCallLinkageImpl::asJavaType (32 bytes)\    389  441       1       org.graalvm.compiler.hotspot.word.HotSpotWordTypes::isWord (31 bytes)\    389  443       1       org.graalvm.compiler.core.common.spi.ForeignCallDescriptor::getResultType (5 bytes)\    390  445       1       org.graalvm.util.impl.EconomicMapImpl::getHashTableSize (43 bytes)\    390  447       1       org.graalvm.util.impl.EconomicMapImpl::getRawValue (11 bytes)

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像这样的小实验应该谨慎对待。例如，太多的屏幕IO可能会影响预热性能。不仅如此，随着时间的推移，为不断增加的字符串分配的缓冲区将会变得越来越大，以至于必须在Humongous Region（G1回收器为大对象保留的特殊区域）中进行分配——Java 10和GraalVM默认使用了G1回收器。这意味着在一段时间之后，G1垃圾回收主要由G1 Humongous主导，而这通常是非常规的情况。 

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在讨论GraalVM之前，我们需要注意的是，Java 10为Graal编译器提供了另一种使用方式，即Ahead-of-Time编译器模式。

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Graal（作为编译器）是一个从头开始开发的全新编译器，符合新的JVM接口（JVMCI）。所以，Graal可以与HotSpot集成，但又不受其约束。

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我们可以考虑使用Graal在离线模式下对所有方法进行全面编译而不执行代码，而不是使用配置驱动的方式编译热方法。这也就是“Ahead-of-Time编译”（JEP 295）。

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在HotSpot环境中，我们可以用它来生成共享对象/库（Linux上的.so或Mac上的.dylib），如下所示：

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\$ jaotc --output libStringHash.dylib kathik/StringHash.class

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然后我们可以在以后的运行中使用已编译的代码：

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\$ java -XX:AOTLibrary=./libStringHash.dylib kathik.StringHash

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这样用Graal只为了一个目的——加快启动速度，直到HotSpot的常规分层编译器可以接管编译工作。在完整的应用程序中，JIT编译的实际测试基准应该能够胜过AOT编译，尽管具体情况要取决于实际的工作负载。

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AOT编译技术仍然是最前沿的，而且从技术上讲只支持（甚至是实验性质的）linux/x64。例如，在Mac上尝试编译java.base模块时，会出现以下错误（尽管仍会生成.dylib文件）：

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$ jaotc --output libjava.base.dylib --module java.base\Error: Failed compilation: sun.reflect.misc.Trampoline.invoke(Ljava/lang/reflect/Method;Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;: org.graalvm.compiler.java.BytecodeParser$BytecodeParserError: java.lang.Error: Trampoline must not be defined by the bootstrap classloader\       at parsing java.base@10/sun.reflect.misc.Trampoline.invoke(MethodUtil.java:70)\Error: Failed compilation: sun.reflect.misc.Trampoline.\u0026lt;clinit\u0026gt;()V: org.graalvm.compiler.java.BytecodeParser$BytecodeParserError: java.lang.NoClassDefFoundError: Could not initialize class sun.reflect.misc.Trampoline\       at parsing java.base@10/sun.reflect.misc.Trampoline.\u0026lt;clinit\u0026gt;(MethodUtil.java:50)

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我们可以使用编译器指令文件来控制这些错误，从AOT编译中排除掉某些方法（有关详细信息，请参阅JEP 295）。

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尽管存在编译器错误，我们仍然可以尝试将AOT编译的基本模块代码和用户代码一起运行，如下所示：

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java -XX:+PrintCompilation \\\     -XX:AOTLibrary=./libStringHash.dylib,libjava.base.dylib \\\     kathik.StringHash

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打开PrintCompilation标记，就可以看到JIT的编译情况——现在几乎没有。现在只有一些初始引导程序要用到的核心方法需要进行JIT编译：

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111    1     n 0       java.lang.Object::hashCode (native)  \   115    2     n 0       java.lang.Module::addExportsToAllUnnamed0 (native)   (static)

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因此，我们可以得出结论，这个简单的Java应用程序现在是在几乎100％的AOT编译模式下运行。

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现在回到GraalVM，让我们看一下该平台提供的重磅功能——能够将多种语言完整地嵌入到运行在GraalVM上的Java应用程序中。

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这可以被认为是JSR 223（Java平台的脚本）的等效或替代方案，不过Graal比之前的HotSpot走得更深入更远。

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该功能依赖于GraalVM和Graal SDK——GraalVM默认的类路径中包含了Graal SDK，但在IDE中需要显式指定，例如：

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\u0026lt;dependency\u0026gt;\    \u0026lt;groupId\u0026gt;org.graalvm\u0026lt;/groupId\u0026gt;\    \u0026lt;artifactId\u0026gt;graal-sdk\u0026lt;/artifactId\u0026gt;\    \u0026lt;version\u0026gt;1.0.0-rc1\u0026lt;/version\u0026gt;\\u0026lt;/dependency\u0026gt;

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最简单的例子是Hello World——让我们使用GraalVM默认提供的Javascript实现：

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import org.graalvm.polyglot.Context;\\public class HelloPolyglot {\    public static void main(String[] args) {\        System.out.println(\"Hello World: Java!\");\        Context context = Context.create();\        context.eval（\"js\