「译」Graal JIT编译器是如何工作的

JIT编译器是什么

我敢说很多读者都知道JIT编译器是什么，但是我还是会覆盖基本概念，让在场各位都没有基础上的疑问。

当你运行javac命令，或者用IDE保存的时候就做编译，你的java程序会从java代码编译成JVM字节码。JVM字节码是Java代码的二进制形式的表示。它比起源码来说更紧凑，更简单。但是绝大多数CPU是不能直接执行JVM字节码的。

要运行java程序需要jvm解释字节码。解释字节码通常都会比运行在真正CPU上的机器代码要慢，所以JVM可以在运行时使用其他编译器，将字节码编译成你的CPU可以直接跑的机器代码。

这个编译器通常会比javac更复杂，会做很多优化来产出高质量的机器代码。

为什么JIT编译器要用Java来写

Openjdk是JVM的一个实现，现在它包含两个JIT编译器。客户端编译器，也叫C1，设计目的是编译速度要快，所以产出的代码会包含较少优化。服务器编译器，也叫opto或者C2，设计初衷是花更多的时间产出高效优化的代码。

两者的设计动机是C1适合桌面应用程序，它们不能容忍因为JIT编译导致长时间的停顿，C2适合长时间运行的服务器程序，它们可以花更多时间在编译上面。

现在的JVM将它们组合在了一起，代码首先使用C1编译，如果后面还在运行而且值得为它花费额外时间就使用C2再做编译。这个机制叫做分层编译。

让我们把目光转向C2——花更多时间在优化上面

我们可以从GitHub克隆openjdk镜像，或者可以直接浏览它的网站下载。

$ git clone https://github.com/dmlloyd/openjdk.git

C2代码位于openjdk/hotspot/src/share/vm/opto.

首先，C2使用c++写的。当然C++没什么本质上的错误，但却有一些麻烦。C++是一门不安全的语言——这意味这C++的错误可以造成虚拟机crash。也由于代码年代久远，用C++写的C2变得很难维护，很难扩展。

C2背后的关键人物Cliff Click说他再也不会用C++写虚拟机，我们也听Twitter JVM团队说C2目前是一滩死水，亟待一个替代品，因为在它上面开发太困难了。

所以回到问题，为什么Java可以帮我们解决这些问题？呃因为上述所有需求都暗示我们用Java而不是C++。Java异常比C++ cash更安全，没有内存泄漏，没有悬空指针，也有很多工具比如调试器，profiler，visualvm，还有很多ide支持，等等。

你可能会想用Java写一个JIT编译器这怎么可能？你可能认为只有使用低级系统语言比如C++才能做到，但是在这个talk中我想说不是的，完全不是！事实上JIT编译器要做的只是接受JVM字节码然后产出机器代码——你收到一个byte[]数组然后返还一个byte[]即可。它可能背后做很多复杂的工作，但是这完全不涉及一个真的“系统”，你也不需要一个“系统”语言——一些定义认为系统语言是指类似C或者C++的语言，但不是Java。

配置graal

我们要做的第一件事是java9。graal使用的接口叫做jvmci，由JEP 243Java-Level JVM Compiler Interface提案加入到Java中。 第一个实现提案的版本是java9。我使用9+181。如果有特殊需求也可以使用backport jvmci的java8。

$ export JAVA_HOME=`pwd`/jdk9
$ export PATH=$JAVA_HOME/bin:$PATH
$ java -version
java version "9"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 9+181)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 9+181, mixed mode)

下一步需要一个构建工具mx。 他有点像Maven或gradle，但是可能你从没在你的程序上用过它。它支持一些复杂的使用样例，但是我们只使用它做简单的构建工作。

$ git clone Https://github.com/graalvm/mx.git
$ cd mx; git checkout 7353064
$ export PATH=`pwd`/mx:$PATH

接着我们克隆graal本身。。我是用graalvm的一个版本，版本号是0.28.2

$ git clone https://github.com/graalvm/graal.git --branch vm-enterprise-0.28.2

该仓库包含了一些项目，目前我们不关心。我们可以切换到compiler子目录，那就是graal jit本身。然后使用mx构建它。

$ cd graal/compiler
$ mx build

现在我要使用eclipse ide打开graal源码。我是用eclipse 4.7.1。 mx支持生成eclipse项目文件。

$ mx eclipseinit

如果你想使用graal作为workspace，点File，Import...,General,Existing projects然后选择graal目录即可。如果你没用Java9运行eclipse本身，那你可能需要attach一个jdk。

ok，现在万事俱备，以一个简单的代为例我会展示它是如何工作的。

class Demo {
  public static void main(String[] args) {
    while (true) {
      workload(14, 2);
    }
  }

  private static int workload(int a, int b) {
    return a + b;
  }
}

我们将用javac编译，然后使用jvm运行。首先使用传统的C2 JIT。在这之前我们加上一些参数，用-XX:+PrintCompilation jvm记录哪些方法便已过，用-XX:CompileOnly=Demo::workload让编译器只编译某个方法，免得输出太多了。

$ javac Demo.java
$ java 
  -XX:+PrintCompilation 
  -XX:CompileOnly=Demo::workload 
  Demo
...
    113    1       3       Demo::workload (4 bytes)
...

上面的log表示workload方法被编译了，其他细节信息我不做解释。

现在让我们使用刚刚构建的Graal作为Java9 JVM的JIT编译器。我们需要再加一些比较复杂的flags。

·--module-path=...和--upgrade-module-path=...把graal加入模块路径。注意模块是Jigsaw模块系统的东西，现在已经加入Java9，目前来说你可以将模块路径看成是classpath。

我们需要-XX:+UnlockExperimentalVMOptions因为JVMCI（graal使用的）现目前还是实验性质的。

然后加上-XX:+EnableJVMCI告诉JVM我们要使用JVMCI，然后加上-XX：+UseJVMCICompiler告诉jvm我们想配置一个新的JIT编译器。

接着简单起见，加上-XX:-TieredCompilation关闭分层编译让JVM只有一个JVMCI编译器而不是C1和JVMCI混合分层。

当然，前面的-XX:+PrintCompilation 和-XX:CompileOnly=Demo::workload还是保持不变。和之前一样，我们会看到有一个方法被编译了虽然是使用graal编译的。现在请只管跟着我做。

$ java 
  --module-path=graal/sdk/mxbuild/modules/org.graalvm.graal_sdk.jar:graal/truffle/mxbuild/modules/com.oracle.truffle.truffle_api.jar 
  --upgrade-module-path=graal/compiler/mxbuild/modules/jdk.internal.vm.compiler.jar 
  -XX:+UnlockExperimentalVMOptions 
  -XX:+EnableJVMCI 
  -XX:+UseJVMCICompiler 
  -XX:-TieredCompilation 
  -XX:+PrintCompilation 
  -XX:CompileOnly=Demo::workload 
  Demo
...
    583   25             Demo::workload (4 bytes)
...

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我们现在做的很牛逼了不是吗？我们有个JVM，然后用新的JIT替换了之前的那个，还用它编译了代码，且没有改变JVM的任何代码。让这一切变得可能的正是JVMCI——JVM编译器接口——之前提到过JEP243提出它现在已经并入java9。

这个idea和jvm现有的一些技术其实差不多。

以前你可能用Java注解处理API添加过一些注解到javac，它们可以处理源代码。不难看出java注解就是个获取它们附着于的源代码，然后产出新源代码的工具。

你可能使用过java agent做自定义的java字节码处理。它可以拦截java字节码然后修改它。

JVMCI和它们一样。它让你可以插入一个java写的jit编译器到jvm上。

等下我会介绍ppt上展示的代码的一些方法，然后我会简化标识符和逻辑帮助你理解这个idea，接着我会切换到eclpse的一些屏幕截图向你展示真的代码，虽然可能有点复杂，但是大体上是一样的。这个talk的重要内容就是帮助你深入源码本身，所以我不想隐藏它，尽管它很复杂。

首先我想消除你觉得jit编译器极其复杂的想法。JIT编译器的输入什么？它获取要编译的方法的字节码，字节码，看名字就知道是“一个字节数组的代码”。JIT编译器输出什么？它输出方法对应的机器代码。机器代码也是“一个字节数组的代码“
所以当你写一个新jit插入到jvm的时候你要实现的接口看起来类似下面：

interface JVMCICompiler {
    byte[] compileMethod(byte[] bytecode);
}

所以你大可不必认为java怎么能做jit编译产出机器码这么底层的事情，他就是个byte[]到byte[]的函数而已。

不过实际上的比这要复杂一些。只是一个字节数组的代码还不够，我们还想要一些信息比如局部变量的个数，栈的大小，解释器收集到的profiling信息等，这让我们可以了解实际代码运行的情况。因此输入不是字节数组而是一个CompilationRequest，它可以告诉我们哪一个JavaMethod要编译，然后给我们需要的所有信息。