Java虛擬機的自適應動態優化

賀蘊彬

摘 要：文章闡述了Java虛擬機的概括，分析了Java虛擬機的特點，對Java虛擬機的體系結構進行了描述。針對Java虛擬機的自適應動態優化，文章做了深入分析。最后對Java虛擬機的自適應動態優化框架以圖示的方式進行了研究。

關鍵詞：Java虛擬機；自適應；動態優化

1 Java虛擬機概述

Java虛擬機（Java virtual machine）作為一種具有抽象意義的計算機系統，可以在具體的計算機上對多種計算機功能進行仿真模擬，以此來實現特定的需求。Java Virtual Machine具有中央處理器、寄存器以及堆棧等一套完備的硬件體系，也具備成熟的指令系統。為了實現Java程序可以在多種平臺上不需要修改就可以運行，可以依托Java virtual machine，通過Java程序生成相應代碼來運行即可。

2 Java虛擬機的特點

通常，Java語言與其所運行的平臺無關，這是Java語言的一個重要特點。其關鍵在于應用了ava virtual machine。使用其他高級語言編寫的程序，如果需要運行在不同的平臺，則要編譯為多種不同的目標程序。而借助ava virtual machine，java語言不需要重新編輯即可在不同平臺上運行。Java virtual machine執行目標代碼時，把目標代碼解讀為特定平臺上的機器指令來遵循。

3 Java虛擬機的體系結構

Java virtual machine可以通過不同廠商來實現，則因廠商的不同而造成Java virtual machine實現上的不同，但這不影響Java virtual machine的跨平臺特性，這是因為Java virtual machine獨特的體系結構。

Java virtual machine內部的抽象的體系結構由存儲器、指令、數據類型和子系統組成。這些都提供了一種方式，可以對外部行為進行定義。Java virtual machine的機制有兩種，類裝載系統用于裝載合適的類，運行引擎用來執行已經裝載的類的指令。每個Java virtual machine由堆、方法區、程序計數器、Java棧以及被你的方法棧，同時，搭配了運行引擎和類裝載共同構成了Java virtual machine的體系結構（如下圖所示）。

4 Java虛擬機的自適應動態優化

Java virtual machine類似于抽象意義上的堆棧計算機，其作用是裝載類文件，然后運行其目標代碼，目標代碼的操作次數都源于堆棧。現在，常見的處理器都采用寄存器結構，所以，Java virtual machine要對這些針對堆棧的命令通過即時編輯機或解釋機進行解釋，解讀為寄存器可以執行的指令。在解釋和執行的次序上是解釋一次執行一次，并不包括解釋后的機器指令。如果需要多次執行目標程序，就要多次解釋執行。但即時編譯機會把首次執行的程序翻譯為本地程序，并在內存中緩存代碼，后續可以再次調用而實現該方法的復用。

Java virtual machine可以動態自適應去裝載，這種動態自適應裝載類的模式促進了Java的靈活的網絡性質。Java virtual machine既能裝載本地的類程序，也可以對網絡上的類進行裝載。Java virtual machine為了安全地管理這些不同裝載器裝載的類，對其擬定了不同的名字，以此，Java virtual machine能夠依照名字把代碼列入不同的類型，然后對不同類型的代碼執行不同的操作。

作為Java virtual machine的重要優化方法的內聯，難以實現面向對象的動態編程語言。所以，基于Java的程序可以在運行的同時改變不同的調用模式，也可以動態裝載不同的Java程序以應對不同的需求。

面向全局進行分析的內聯，因為動態的裝載而增加了復雜性。程序的全局關系被其改變，則新加載的類程序就需要被內聯。因此，Java virtual machine要動態的優化之前優化過的程序，或者在執行熱點代碼的同時，進行這種動態優化。否則，一般的內聯優化就不能系統地進行執行。

5 Java虛擬機的自適應的動態優化框架

Trace緩沖區、插樁器和動態優化策略挑選機共同構成了Java虛擬機的自適應動態優化框架。在即時編譯機中，插樁器執行對訪問對象的指令開展插樁，來獲取Java對訪問對象的相關信息。程序運行中的對象信息存放在Trace緩沖區里。動態優化策略挑選機參展緩沖區里的信息動態選擇對Java程序的自適應優化策略。

上圖描述了Trace緩沖區的構成。這是48KB的緩沖區，其中的每一個單元是12字節。緩沖區的寫入是自上而下。緩沖區的頂部和底部分別用不同的名稱代表（如圖所示）。緩沖區再向下部分不可寫。應用程序把數據寫入緩沖區，溢出后，就產生錯誤代碼。即時編輯機編譯Java目標代碼，把與平臺無關的代碼翻譯為與平臺相關的機器指令。編譯器會在編譯時識別該模式中的指令，并對應開始插樁，同時手機訪問對象的情況。編輯后，Java程序在運行的過程中把訪問對象的信息灌輸到緩沖區里，寫滿緩沖區后，程序提醒，Java virtual machine獲取提醒，然后通知動態優化策略挑選器來執行優化。優化后，Java程序返回起始點再執行。

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