深度探索JFR - 3. 各种Event详细说明与JVM调优策略（3）

3. 虚拟机相关 Event

3.3. JIT即时编译相关

JIT 即时编译可能会遇到编译后的代码缓存占满，或者因为空间有限或者代码设计问题，导致某些关键方法需要重编译导致性能问题，以及因为代码块过大导致编译失败从而性能有问题，这些问题我们可以通过 JFR 中相关的 Event 进行查询。 JFR 对于 Java 开发可以完全替换 JVM 编译日志。

额外讲解：JIT 相关的知识

首先，这里简单介绍下 JIT 相关的知识（这里我推荐看 O'Rerilly 上面的 Java Performance 第二版的第四章：Working with the JIT Compiler）：

首先什么是 JIT： 当 Java 被编译为字节码形式的 class 文件之后，他可以在任意的 JVM 运行。这里说的编译，主要是指前端编译器。但是 class 文件里面的字节码并不能直接运行，而是要通过后端编译器在程序运行期间，将字节码转变成机器码，这样电脑才能执行你的代码。

Java Code Cache 是啥： 如果 Java 每次都需要即时编译成机器码，再执行，效率太慢了。那么是不是对于某些热点代码，编译后的机器码，缓存起来，这样下次就不用重新即时编译了，多快乐。Java Code Cache 就是用来干这个的。但是编译后的机器码太大了，Java Code Cache 的空间是有限的，也不能将所有的代码都编译成机器码缓存起来。所以就需要一些优化与清理策略。

C1，C2 编译器与分层编译（Tiered Compilation）以及编译级别（Compilation Level）： C1，C2 按照老概念来看，分别是客户端编译器和服务端编译器，随着 -server 的 Java 参数的消失，代表着 Java 程序本质上不再区分客户端服务端，所以目前所有的 Java 进程都是 C1，C2混合使用。

C1 编译器对代码做一些简单的优化并加入一些采样代码， C2 针对 C1 加入的代码的采样结果，做更多的分析（语法解析，逃逸分析，高级优化器等等），优化成为更好的代码。C1是一个简单快速的编译器，主要关注点在于局部优化，而放弃许多耗时较长的全局优化手段。C2 则是关注于耗时较长的全局优化手段。同时由于 Java Code Cache 是有限的，有些代码可能优化后被淘汰，需要重新编译，没必要对于每种代码都进行 C1 C2 的优化，那些执行次数少的代码，直接编译执行即可。

C1，C2是怎么配合的呢？从 Java 7 开始引入了分层编译的概念，目前已经是默认的即时编译方式。Java 代码一共有如下几层编译级别：

• level 0：代码直接解释执行
• level 1：通过 C1 编译器优化编译执行（不会加入采样代码，例如统计这段代码执行次数等等）
• level 2：通过 C1 编译器优化编译执行（加入非常轻量的采样代码）
• level 3：通过 C1 编译器优化编译执行（加入所有的采样代码）
• level 4：通过 C2 编译器优化编译执行（根据上一步采样代码的信息，决定如何优化）

一般情况下，热点代码都是经过 0 -> 3 -> 4 这个路径被优化的。但是也有例外情况：

• 当方法过于简单的时候（例如只有一行代码），C2 不能在 C1 的基础上更加优化，则走向 level 1，去掉了采样代码。
• 如果 C2 线程正忙（C2 线程任务队列满了），则走向 level 2，因为认为 C2 一段时间内不会恢复，level 3 采集的很多数据有时效性，现在采集也没意义，所以先走向 level 2 减少采集。之后过一段时间，重新变成 level 3，等待 C2 闲时，走向 level 4
• C1 忙，但是 C2 闲时，直接从 level 0 升级到 level 4。

Java Code Cache 分块（Segmented Code Cache）： 从 Java 9 开始引入的 Code Cache 分块，主要解决之前把所有种类代码放一起，导致扫描的时候效率低下。例如之前说的有些代码经过 C1 优化，之后 C2 优化，这些代码最好分开存储。（C1 优化过得代码，C2 优化完之后，C1的要被清理掉）。

目前 Java Code Cache 分为 3 块：

• **非方法代码堆（non-method code heap）：**这些是 JIT 编译器要用到的内存区域，例如编译器要用的缓存等等。他们会永远存在于 Code Cache 内。
• **带采样的代码堆（profiled code heap）：**目前是经过 C1 编译器优化的代码，就是轻度优化，带采样代码的代码，存活时间比较短，因为 C1 优化的代码最终会被 C2 优化，或者退回 level 1 去掉采样。
• **不带采样的代码堆（non-profiled code heap）：**包含不带采样的代码，已经完全优化好，并且长期存活的代码。

默认情况下，非方法代码堆包括 3MB 的来自于虚拟机的固定空间占用，以及随着编译线程个数上涨而上涨的空间占用。剩下的空间，带采样的代码堆与不带采样的代码堆评分，可以通过如下参数修改：

• -XX:NonProfiledCodeHeapSize: 不带采样的代码堆大小.
• -XX:ProfiledCodeHeapSize: 带采样的代码堆大小.
• -XX:NonNMethodCodeHeapSize: 非方法代码堆大小.
• -XX:ReservedCodeCacheSize 以上三个加起来需要等于这个

Code Cache Sweeper（代码缓存清理器）： 随着 Java Code Cache 的分块处理，目前 Code Cache Sweeper 只用扫描 带采样的代码堆 和 非方法代码堆，并且可以分开并发扫描，看那些代码缓存可以回收。

Method Inline（方法内联）： 通俗来讲，就是JVM在运行时优化编译好的代码，将经常调用的方法从调用替换为方法体代码，减少调用。通常发生在 C1 编译器优化。举一个简单的例子：在编写Java的POJO object时候，经常会用到getter和setter，这是从学校里学java开始，我们就一直使用的设计模式，为了保证POJO类对象的域安全。但是我们是否考虑过，如果每次都用这个而外的方法修改，那么是否都会多一次方法栈寻址调用？这样对性能肯定是有影响的。幸好我们有Java Inline Method这个机制，参考下面的代码：

public class JitInlining {
    public static void main(String args[]) {
        Position position = new Position(25);
        for (int i = 0; i < 1000000; ++i) {
            int x = position.getX();
            position.setX(x + 1);
        }
        System.out.println(position.getX());
    }
}
class Position {
    private int x;
    public Position(int x) {
        this.x = x;
    }
    public int getX() {
        return x;
    }
    public void setX(int x) {
        this.x = x;
    }
}

加上jvm参数来看一下inline效果：-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining

@ 19   com.test.Position::getX (5 bytes)   accessor
@ 27   com.test.Position::setX (6 bytes)   accessor

这个accessor代表jit识别这些方法是某个field的accessor（即getter或者setter），accessor是会被inline的。

OSR（On Stack Replacement）： 一种在运行时替换正在运行的函数/方法的栈帧的技术。JIT 优化，一般在某一段代码被执行很多次之后，例如：

for (int i = 0; i < 10000; i ++) {
    this.data++;
}

this.data++;如果被编译器优化之后，这个循环还没执行完，则需要 OSR 机制，动态替换正在栈帧中待执行的代码。这样还没完成的循环，就可以用优化后的代码执行。

通常来看，应该把 所有的栈上替换执行代码都叫做 OSR，但是 Java 中只针对于编译器优化的代码替换原有代码称为 OSR，对于去优化的替换（就是用原有代码替换优化过的代码），称为Bailout

为什么会有这种Bailout的情况呢？代码优化可以分为（这里参考大神的知乎回答）：

• 从低优化向高优化迁移：为了平衡启动性能（刚开始要启动速度快，所以要初始开销小的执行模式）和顶峰性能（代码执行一段时间，对于热点代码，想要更快需要更优化的执行模式，即便优化需要较大开销）
• 从高优化向低优化迁移：有很多情况，这里仅举例：

• 高优化层级做了很激进的优化：例如假设某个类不会有别的子类、某个引用一定不是null、某个引用所指向的对象一定是某个具体类型，等），而这个激进的假设假如失效了的话，就必须退回到没有做这些优化的“安全”的低优化层级去继续执行。这个非常重要，有了这种Bailout机制的支持，JIT编译器就可以对代码做非常激进的优化，性能受正确性要求的约束会得到放松，因而对常见代码模式可以生成更快的代码。
• 高优化层级不便于对代码做调试，如果某个方法之前已经被JIT优化编译了，而后来有调试器动态决定调试该方法，则让它从高优化层级退回到便于调试的低优化层级（例如解释器或者无优化的JIT编译版本的代码）去执行。

JIT即时编译相关的 Event 列表