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HotSpot原理指南-C1和C2介绍

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前言

HotSpot是一款Java虚拟机的实现，除了基本的解释功能以外，该虚拟机还拥有将字节码编译成机器码的并执行的能力，我们知道，直接执行机器码肯定比解释更快。

HotSpot最初会通过解释的方式执行程序，当它发现某个方法运行得特别频繁时，就会将这些热点（Hot Spot）代码进行编译，编译成平台相关的机器码。这个过程也叫做JIT（Just In Time），与之相对的是AOT（Ahead Of Time），比较典型的是C和C++语言。

HotSpot进行JIT编译的编译器有两个，分别叫做C1和C2，或者也可以叫做Client Compiler和Server Compiler。这两种编译器编译策略不同，运用在不同的场景，下面会详细的说明。

JIT编译

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public class Add {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            add();
            long end = System.nanoTime();
        }
    }

    public static int add() {
        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            sum += i;
        }
        return sum;
    }
}

上面这段代码，我们有一个add方法，如果我们对改方法进行时间统计，我们会得到下面的曲线。

X轴是次数，Y轴是时间的log2。

从这个曲线我们可以看出，在第大概100次的时间，时间消耗会下滑，也就是性能提升了一个档次。

由此我们可以猜到，前100次的add方法是由解释执行的，在100次后，执行的是由JIT编译器编译过的机器码。所以性能会有较大的提升。

Profile

在详细讲述C1和C2之前，我们还有一个内容需要科普，就是方法的Profile信息。

除了最基本的用于判定某个方法是否是HotSpot的方法调用次数（Invocation Counter）信息外，对于某个方法，还有一些信息是会在运行时进行收集的。

比如我们看下面这段代码

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public static void record(List<String> list) {
	if (list != null) {
		list.add("大骚包卢布");
  } else {
    log.warn("我不是大骚包");
  }
}

record函数的功能很简单，入参是一个List，如果List不为空，那么就把大骚包卢布这个字符串传递进去。不然的话就打出一个warn级别的日志我不是大骚包。

那么在调用这个方法的时候，HotSpot还会记录哪些信息呢

  • List的真实类。因为List在Java中是一个接口，具体的传入可能是ArrayList或者LinkedList或者其他的。HotSpot需要记录具体的类为了以后的优化。
  • Log的真实类，理由和List一样。
  • 进入if的次数，以及进入else的次数，更通俗的说是条件选择的实际情况。

有人可能会问统计这些Profile有什么用。

举个最简单的例子，如果我们需要对list.add做内联，那么我们到底内联那个实现呢，这个就需要我们收集list的真实实现是什么。

C1和C2

C1 C2
编译时间 快 慢（x4）
执行时间 慢 快（30%）
输出代码 多 少

上表是C1和C2在编译时间，执行时间，输出代码的区别

  • 编译时间：同样一段代码，C1需要时间比C2短，也就是需求的CPU资源较少
  • 执行时间：C1编译时间短，通常意味着优化不如C2，所以C2编译出的机器码执行效率较高
  • 输出代码：C1编译时间短，最终也就导致输出的机器码占用的内存要比C2多的

总结：同一段代码，C1消耗的CPU资源较少，但是输出的代码质量不如C2。但是毋庸置疑的事，无论是C1还是C2输出的机器码，执行效率肯定都比解释快的。

C1又称Client Compiler，C2又称Server Compiler，不是没有历史渊源的。

或许我们都听过java在启动的时候可以执行是client模式还是server模式。

当我们使用client模式时，一般运行的是应用程序，比如java swing，awt之类的图形软件，对于这些桌面软件，作为使用者而言，并不希望哪个桌面应用占用大量的CPU，所以非常适合C1的场景

  • 编译速度快
  • 占用CPU资源少

而对于Server模式而言，一般是公司的服务器上跑的稳定的服务应用，服务器的资源一般较为丰富，同时一个应用并不会像桌面应用一样频繁的开关，一般都要跑几周或者几个月甚至几年。这种应用，当然速度越快越好。所以非常适合C2的场景

  • 编译消耗更多的CPU资源
  • 代码质量更高，也就是性能更好

C1和C2和Profile

前面提到过的Profile信息，你可能会疑惑这个和C1和C2有什么联系。

其实我们需要先明白一个概念，就是收集那些Profile不仅仅会占用程序以外的更多的内容，而且会占用很多的CPU消耗。同样一段代码，插入了收集Profile逻辑和没有插入收集Profile逻辑，执行性能是不同的。

结合我们提到的C1和C2的使用场景的区别，可以得出这样的结论，这个收集Profile的消耗，对于桌面应用而言，是非常不合适的。

但是C2则需要这些Profile去做更好的性能优化。

所以对于Client模式的应用而言，解释器不会去收集程序的Profile信息，而Server模式在解释器阶段，则会进行Profile的收集，这也就导致了Client模式的起步性能是比Server模式的起步性能要好很多。

启动模式

在JDK1.6之前，指定是client还是server模式，我们在java程序启动时直接加参数就行了

java -client Hello

但是

注意我这个但是

其实自从JDK6的某个版本开始，你已经控制不了这个参数了

https://docs.oracle.com/javase/7/docs/technotes/guides/vm/server-class.html

从这个网站可以看到，默认如果你是64位的机器并且至少有2G内存和2核心的CPU，默认都是Server模式了。

-client这个参数会被忽略

但是也并不是没有办法指定client模式

不仅仅要在启动参数中加上-client

还需要去修改文件jre/lib/jvm.cfg

比如我的文件中默认是这个状态

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-server KNOWN
-client IGNORE
-hotspot ERROR
-classic WARN
-native ERROR
-green ERROR

注意到我的-client后面跟的是IGNORE，所以我指定-client模式其实是不生效的

我需要改成-client KNOWN才行。

当然Oracle选择忽略-client模式也不是没有道理的

  • Java的桌面应用已经很少了，Swing基本已经死了
  • 现在大家的笔记本的CPU和内容资源都很充足

所以全部使用server模式也没问题。

后续

当然C1和C2的故事并没有这么简单

同时JIT编译的策略也不是非C1就是C2，在JDK7中引入了分层编译，结合了C1和C2的优点。

这些会在后面的文章讲述。