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# 34 | Graal:用Java编译Java
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最后这三篇文章,我将介绍Oracle Labs的GraalVM项目。
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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AOT(Ahead-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。
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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。
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今天这一篇,我们就来讲讲GraalVM的基石Graal编译器。
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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。
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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。
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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。
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## Graal和Java虚拟机的交互
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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。
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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。
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1. 响应编译请求;
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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;
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3. 将生成的二进制码部署至代码缓存(code cache)里。
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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。
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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。
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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 Interface,JVMCI),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。
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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。
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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。
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## Graal和C2的区别
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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%。
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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。)
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## Graal的实现
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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。
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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。
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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。
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![](https://static001.geekbang.org/resource/image/d9/b8/d9772c569c25eabb7c2e7af53878e3b8.png)
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Graal编译器前端的优化阶段(局部)
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> 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
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> [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)。
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我们知道,Graal和C2都采用了激进的投机性优化手段(speculative optimization)。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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## 总结与实践
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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。
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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。
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今天的实践环节,你可以尝试使用附带Graal编译器的JDK。在Java 10,11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。
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> 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。
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