gitbook/深入拆解Java虚拟机/docs/41245.md
2022-09-03 22:05:03 +08:00

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# 34 | Graal用Java编译Java
最后这三篇文章我将介绍Oracle Labs的GraalVM项目。
GraalVM是一个高性能的、支持多种编程语言的执行环境。它既可以在传统的OpenJDK上运行也可以通过AOTAhead-Of-Time编译成可执行文件单独运行甚至可以集成至数据库中运行。
除此之外,它还移除了编程语言之间的边界,并且支持通过即时编译技术,将混杂了不同的编程语言的代码编译到同一段二进制码之中,从而实现不同语言之间的无缝切换。
今天这一篇我们就来讲讲GraalVM的基石Graal编译器。
在之前的篇章中特别是介绍即时编译技术的第二部分我们反反复复提到了Graal编译器。这是一个用Java写就的即时编译器它从Java 9u开始便被集成自JDK中作为实验性质的即时编译器。
Graal编译器可以通过Java虚拟机参数`-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler`启用。当启用时它将替换掉HotSpot中的C2编译器并响应原本由C2负责的编译请求。
在今天的文章中我将详细跟你介绍一下Graal与Java虚拟机的交互、Graal和C2的区别以及Graal的实现细节。
## Graal和Java虚拟机的交互
我们知道即时编译器是Java虚拟机中相对独立的模块它主要负责接收Java字节码并生成可以直接运行的二进制码。
具体来说即时编译器与Java虚拟机的交互可以分为如下三个方面。
1. 响应编译请求;
2. 获取编译所需的元数据如类、方法、字段和反映程序执行状态的profile
3. 将生成的二进制码部署至代码缓存code cache里。
即时编译器通过这三个功能组成了一个响应编译请求、获取编译所需的数据,完成编译并部署的完整编译周期。
传统情况下即时编译器是与Java虚拟机紧耦合的。也就是说对即时编译器的更改需要重新编译整个Java虚拟机。这对于开发相对活跃的Graal来说显然是不可接受的。
为了让Java虚拟机与Graal解耦合我们引入了[Java虚拟机编译器接口](http://openjdk.java.net/jeps/243)JVM Compiler InterfaceJVMCI将上述三个功能抽象成一个Java层面的接口。这样一来在Graal所依赖的JVMCI版本不变的情况下我们仅需要替换Graal编译器相关的jar包Java 9以后的jmod文件便可完成对Graal的升级。
JVMCI的作用并不局限于完成由Java虚拟机发出的编译请求。实际上Java程序可以直接调用Graal编译并部署指定方法。
Graal的单元测试便是基于这项技术。为了测试某项优化是否起作用原本我们需要反复运行某一测试方法直至Graal收到由Java虚拟机发出针对该方法的编译请求而现在我们可以直接指定编译该方法并进行测试。我们下一篇将介绍的Truffle语言实现框架同样也是基于这项技术的。
## Graal和C2的区别
Graal和C2最为明显的一个区别是Graal是用Java写的而C2是用C++写的。相对来说Graal更加模块化也更容易开发与维护毕竟连C2的作者Cliff Click大神都不想重蹈用C++开发Java虚拟机的覆辙。
许多开发者会觉得用C++写的C2肯定要比Graal快。实际上在充分预热的情况下Java程序中的热点代码早已经通过即时编译转换为二进制码在执行速度上并不亚于静态编译的C++程序。
再者即便是解释执行Graal也仅是会减慢编译效率而并不影响编译结果的性能。
换句话说如果C2和Graal采用相同的优化手段那么它们的编译结果是一样的。所以程序达到稳定状态即不再触发新的即时编译的性能也就是峰值性能将也是一样的。
由于Java语言容易开发维护的优势我们可以很方便地将C2的新优化移植到Graal中。反之则不然比如在Graal中被证实有效的部分逃逸分析partial escape analysis至今未被移植到C2中。
Graal和C2另一个优化上的分歧则是方法内联算法。相对来说Graal的内联算法对新语法、新语言更加友好例如Java 8的lambda表达式以及Scala语言。
我们曾统计过数十个Java或Scala程序的峰值性能。总体而言Graal编译结果的性能要优于C2。对于Java程序来说Graal的优势并不明显对于Scala程序来说Graal的性能优势达到了10%。
大规模使用Scala的Twitter便在他们的生产环境中部署了Graal编译器并取得了11%的性能提升。([Slides](https://downloads.ctfassets.net/oxjq45e8ilak/6eh2A72b4IyWsWOIcig4K0/cbb664566fe86672d92ddfb210623920/Chris_Thalinger_Twitter_s_quest_for_a_wholly_Graal_runtime.pdf), [Video](https://youtu.be/G-vlQaPMAxg?t=20m15s)该数据基于GraalVM社区版。
## Graal的实现
Graal编译器将编译过程分为前端和后端两大部分。前端用于实现平台无关的优化如方法内联以及小部分平台相关的优化而后端则负责大部分的平台相关优化如寄存器分配以及机器码的生成。
在介绍即时编译技术时我曾提到过Graal和C2都采用了Sea-of-Nodes IR。严格来说这里指的是Graal的前端而后端采用的是另一种非Sea-of-Nodes的IR。通常我们将前端的IR称之为High-level IR或者HIR后端的IR则称之为Low-level IR或者LIR。
Graal的前端是由一个个单独的优化阶段optimization phase构成的。我们可以将每个优化阶段想象成一个图算法它会接收一个规则的图遍历图上的节点并做出优化并且返回另一个规则的图。前端中的编译阶段除了少数几个关键的之外其余均可以通过配置选项来开启或关闭。
![](https://static001.geekbang.org/resource/image/d9/b8/d9772c569c25eabb7c2e7af53878e3b8.png)
Graal编译器前端的优化阶段局部
> 感兴趣的同学可以阅读Graal repo里配置这些编译优化阶段的源文件
> [HighTier.java](https://github.com/oracle/graal/blob/master/compiler/src/org.graalvm.compiler.core/src/org/graalvm/compiler/core/phases/HighTier.java)[MidTier.java](https://github.com/oracle/graal/blob/master/compiler/src/org.graalvm.compiler.core/src/org/graalvm/compiler/core/phases/MidTier.java),以及[LowTier.java](https://github.com/oracle/graal/blob/master/compiler/src/org.graalvm.compiler.core/src/org/graalvm/compiler/core/phases/LowTier.java)。
我们知道Graal和C2都采用了激进的投机性优化手段speculative optimization
通常这些优化都基于某种假设assumption。当假设出错的情况下Java虚拟机会借助去优化deoptimization这项机制从执行即时编译器生成的机器码切换回解释执行在必要情况下它甚至会废弃这份机器码并在重新收集程序profile之后再进行编译。
举个以前讲过的例子,类层次分析。在进行虚方法内联时(或者其他与类层次相关的优化),我们可能会发现某个接口仅有一个实现。
在即时编译过程中,我们可以假设在之后的执行过程中仍旧只有这一个实现,并根据这个假设进行编译优化。当之后加载了接口的另一实现时,我们便会废弃这份机器码。
Graal与C2相比会更加激进。它从设计上便十分青睐这种基于假设的优化手段。在编译过程中Graal支持自定义假设并且直接与去优化节点相关联。
当对应的去优化被触发时Java虚拟机将负责记录对应的自定义假设。而Graal在第二次编译同一方法时便会知道该自定义假设有误从而不再对该方法使用相同的激进优化。
Java虚拟机的另一个能够大幅度提升性能的特性是intrinsic方法我在之前的篇章中已经详细介绍过了。在Graal中实现高性能的intrinsic方法也相对比较简单。Graal提供了一种替换方法调用的机制在解析Java字节码时会将匹配到的方法调用替换成对另一个内部方法的调用或者直接替换为特殊节点。
举例来说我们可以把比较两个byte数组的方法`java.util.Arrays.equals(byte[],byte[])`替换成一个特殊节点,用来代表整个数组比较的逻辑。这样一来,当前编译方法所对应的图将被简化,因而其适用于其他优化的可能性也将提升。
## 总结与实践
Graal是一个用Java写就的、并能够将Java字节码转换成二进制码的即时编译器。它通过JVMCI与Java虚拟机交互响应由后者发出的编译请求、完成编译并部署编译结果。
对Java程序而言Graal编译结果的性能略优于OpenJDK中的C2对Scala程序而言它的性能优势可达到10%企业版甚至可以达到20%。这背后离不开Graal所采用的激进优化方式。
* * *
今天的实践环节你可以尝试使用附带Graal编译器的JDK。在Java 1011中你可以通过添加虚拟机参数`-XX:+UnlockExperimentalVMOptions -XX:+UseJVMCICompiler`来启用,或者下载我们部署在[Oracle OTN](https://www.oracle.com/technetwork/oracle-labs/program-languages/downloads/index.html)上的基于Java 8的版本。
> 在刚开始运行的过程中Graal编译器本身需要被即时编译会抢占原本可用于编译应用代码的计算资源。因此目前Graal编译器的启动性能会较差。最后一篇我会介绍解决方案。