一、前端編譯：

java設(shè)計之初就是強(qiáng)調(diào)跨平臺，通過javac將源文件編譯成于平臺無關(guān)的class文件， 它定義了執(zhí)行 Java 程序所需的所有信息（許多Java"語法糖"，是在這個階段完成的，不依賴虛擬機(jī)）；同時，jvm提供了運(yùn)行時環(huán)境（JRE）——實(shí)現(xiàn)了所有特定的本地平臺支持（例如：Linux 的 Intel x86 平臺、Sun Solaris 平臺和 AIX ...的jre）。

Java 程序一個重要部分是字節(jié)碼序列，它描述了 Java 類中每個方法所執(zhí)行的操作。字節(jié)碼使用一個理論上無限大的操作數(shù)堆棧來描述計算（操作數(shù)堆棧的大小是有限制，但程序極少超出該限制，此外JVM 提供了安全性檢查，超出后進(jìn)行通知），在操作數(shù)堆棧上執(zhí)行的各種操作計算都獨(dú)立于所有本地處理器的指令集，Java 虛擬機(jī)（JVM）規(guī)范定義了這些字節(jié)碼的執(zhí)行，任何特定本地平臺的JRE 都必須遵守 JVM 規(guī)范。

因?yàn)榛诙褩５谋镜仄脚_很少（Intel X87 浮點(diǎn)數(shù)協(xié)處理器是一個明顯的例外），所以大多數(shù)本地平臺不能直接執(zhí)行 Java 字節(jié)碼。為了解決這個問題，早期的 JRE 通過解釋字節(jié)碼來執(zhí)行 Java 程序。即 JVM 在一個循環(huán)中重復(fù)操作：

獲取待執(zhí)行的下一個字節(jié)碼；

解碼；

從操作數(shù)堆棧獲取所需的操作數(shù)；

按照 JVM 規(guī)范執(zhí)行操作；

將結(jié)果寫回堆棧。

這一過程稱作前端編譯。

優(yōu)點(diǎn)：簡單，很方便跨平臺，JRE 開發(fā)人員只需編寫代碼來處理每種字節(jié)碼即可，并且因?yàn)橛糜诿枋霾僮鞯淖止?jié)碼少于 255 個，所以實(shí)現(xiàn)的成本比較低；

缺點(diǎn)：性能比較差，因?yàn)樵谶\(yùn)行代碼時每次都要重復(fù)的解釋；

二、JIT編譯（即時編譯、動態(tài)編譯）：

java設(shè)計初衷是使用解釋的方式支持應(yīng)用程序的可移植性目標(biāo)，早期java運(yùn)行時提供的性能遠(yuǎn)低于C/C++之類的編譯語言（這類語言盡管性能更高，但生成的代碼只能在指定平臺上執(zhí)行），但在過去的十幾年中，Java 運(yùn)行時供應(yīng)商開發(fā)了一些復(fù)雜的動態(tài)編譯器，也稱即時編譯（Just-in-time，JIT）極大的提升了java運(yùn)行效率。JIT是在java程序運(yùn)行時，將最頻繁執(zhí)行的代碼（hot spot）編譯成本地代碼，接下來這些hot spot code直接通過機(jī)器碼執(zhí)行，省去了重復(fù)解釋。JIT執(zhí)行原理如下圖：

1、挑戰(zhàn)：

1）JIT這種技術(shù)，既保證了程序可移植性又提升了運(yùn)行效率，但仍會帶來運(yùn)行時性能的下降（因?yàn)樵诔绦驁?zhí)行時進(jìn)行編譯，所以編譯代碼的時間將計入程序的執(zhí)行時間。任何編寫過大型 C 或 C++ 程序的人都知道，編譯過程往往較慢）。與之相對應(yīng)，C++是在運(yùn)行前編譯成本地代碼，但這犧牲了移植性。

2）Java 支持動態(tài)加載類，這對JIT的設(shè)計有著重要的影響。如果待編譯代碼引用的其他類還沒有加載怎么辦？比如一個方法需要讀取某個尚未加載的類的靜態(tài)字段值。Java 語言要求第一次執(zhí)行類引用時加載這個類并將其解析到當(dāng)前的 JVM 中。直到第一次執(zhí)行時才解析引用，這意味著沒有地址可供從中加載該靜態(tài)字段。編譯器如何處理這種可能性？編譯器生成一些代碼，用于在沒有加載類時加載并解析類。類一旦被解析，就會以一種線程安全的方式修改原始代碼位置以便直接訪問靜態(tài)字段的地址，因?yàn)榇藭r已獲知該地址。

2、優(yōu)缺點(diǎn)：

1）優(yōu)點(diǎn)：

Java的動態(tài)編譯有些時候能夠比靜態(tài)編譯語言生成更好的本地代碼?，F(xiàn)代的 JIT 編譯器常常向生成的代碼中插入掛鉤以收集有關(guān)程序行為的信息，以便如果要選擇方法進(jìn)行重編譯，就可以更好地優(yōu)化動態(tài)行為。舉一個例子：

一個虛方法調(diào)用需要查看接收方對象的類調(diào)用，以便找出哪個實(shí)際目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了接收方對象的虛方法。研究表明：大多數(shù)虛調(diào)用只有一個目標(biāo)對應(yīng)于所有的接收方對象，而 JIT 編譯器可以為直接調(diào)用生成比虛調(diào)用更有效率的代碼。通過分析代碼編譯后類層次結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，JIT 編譯器可以為虛調(diào)用找到一個目標(biāo)方法，并且生成直接調(diào)用目標(biāo)方法的代碼而不是執(zhí)行較慢的虛調(diào)用。當(dāng)然，如果類層次結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，并且出現(xiàn)另外的目標(biāo)方法，則 JIT 編譯器可以更正最初生成的代碼以便執(zhí)行虛調(diào)用。在實(shí)踐中，很少需要作出這些更正。另外，由于可能需要作出此類更正，因此靜態(tài)地執(zhí)行這種優(yōu)化非常麻煩。

總之，對于大量的 Java 應(yīng)用程序來說，動態(tài)編譯已經(jīng)彌補(bǔ)了與C++ 之類語言的靜態(tài)本地編譯性能之間的差距，在某些情況下，甚至超過了后者的性能。

2）缺點(diǎn)：

由于識別、編譯hot spot code 都需要一定的時間，所以應(yīng)用程序通常要經(jīng)歷一個準(zhǔn)備過程。其次，JIt在運(yùn)行時也會帶來一定的性能損失，有些應(yīng)用可能無法容忍。

三、AOT編譯（靜態(tài)編譯）：

由于動態(tài)編譯技術(shù)的多項(xiàng)改進(jìn)，在很多應(yīng)用程序中，現(xiàn)代的 JIT 編譯器可以產(chǎn)生與 C 或 C++ 靜態(tài)編譯相當(dāng)?shù)膽?yīng)用程序性能。但是，仍然有很多軟件開發(fā)人員認(rèn)為動態(tài)編譯可能嚴(yán)重干擾程序操作，所以有另外一些開發(fā)人員強(qiáng)烈呼吁對 Java 代碼進(jìn)行靜態(tài)編譯(Ahead-of-time AOT)，并且堅信那樣可以解決性能問題。目的在于避免 JIT 編譯器的運(yùn)行時性能消耗或內(nèi)存消耗或CPU共享，以及避免解釋程序的早期性能開銷。

人們希望java能像C++一樣在運(yùn)行之前編譯生成本地代碼，但不幸的是Java 語言本身的動態(tài)特性帶來了額外的復(fù)雜性，影響了 Java 程序靜態(tài)編譯代碼的質(zhì)量。

1、挑戰(zhàn)：

動態(tài)類加載是動態(tài) JIT 編譯器面臨的一個挑戰(zhàn)，也是 AOT 編譯的一個更重要的問題。只有在執(zhí)行代碼引用類的時候才加載該類。因?yàn)槭窃诔绦驁?zhí)行前進(jìn)行 AOT 編譯的，所以編譯器無法預(yù)測加載了哪些類。就是說編譯器無法獲知任何靜態(tài)字段的地址、任何對象的任何實(shí)例字段的偏移量或任何調(diào)用的實(shí)際目標(biāo)，甚至對直接調(diào)用（非虛調(diào)用）也是如此。在執(zhí)行代碼時，如果證明對任何這類信息的預(yù)測是錯誤的，這意味著一切都將完蛋！

此外，Java 代碼可能在程序執(zhí)行前根本不存在：比如 Java 反射服務(wù)通常在運(yùn)行時生成新類來支持程序的行為。

缺少關(guān)于靜態(tài)、字段、類和方法的信息意味著嚴(yán)重限制了 Java 編譯器中優(yōu)化框架的大部分功能。內(nèi)聯(lián)可能是靜態(tài)或動態(tài)編譯器應(yīng)用的最重要的優(yōu)化，但是由于編譯器無法獲知調(diào)用的目標(biāo)方法，因此無法再使用這種優(yōu)化。

2、內(nèi)聯(lián)：

內(nèi)聯(lián)是一種用于在運(yùn)行時生成代碼避免程序開始和結(jié)束時開銷的技術(shù)，方法是將函數(shù)的調(diào)用代碼插入到調(diào)用方的函數(shù)中。但是內(nèi)聯(lián)最大的益處可能是優(yōu)化方可見的代碼的范圍擴(kuò)大了，從而能夠生成更高質(zhì)量的代碼。下面是一個內(nèi)聯(lián)前的代碼示例：

int foo() { int x=2, y=3; return bar(x,y); }final int bar(int a, int b) { return a+b; }

如果編譯器可以證明這個 bar就是 foo()中調(diào)用的那個方法，則 bar中的代碼可以取代 foo()中對 bar()的調(diào)用。這時，bar()方法是 final類型，因此肯定是 foo()中調(diào)用的那個方法。甚至在一些虛調(diào)用例子中，動態(tài) JIT 編譯器通常能夠推測性地內(nèi)聯(lián)目標(biāo)方法的代碼，并且在絕大多數(shù)情況下能夠正確使用。編譯器將生成以下代碼：

int foo() { int x=2, y=3; return x+y; }

2、優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：合理的使用AOT，可以提高運(yùn)行效率；

缺點(diǎn)：靜態(tài)（AOT）編譯器則犧牲了平臺無關(guān)性和代碼質(zhì)量，因?yàn)樗鼈儾荒芾贸绦虻膭討B(tài)行為，也不具有關(guān)于加載的類或類層次結(jié)構(gòu)的信息。

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Java編譯方式總結(jié)：前端編譯、JIT編譯、AOT編譯