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发布于 2025-02-25 / 9 阅读
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13、AOT

1. AOT与JIT

AOT：Ahead-of-Time（提前编译）：程序执行前，全部被编译成机器码

JIT：Just in Time（即时编译）: 程序边编译，边运行；

编译：

  • 源代码（.c、.cpp、.go、.java。。。） ===编译=== 机器码

语言：

  • 编译型语言：编译器

  • 解释型语言：解释器

1. Complier 与 Interpreter

Java：半编译半解释

https://anycodes.cn/editor

对比项

编译器

解释器

机器执行速度

快，因为源代码只需被转换一次

慢，因为每行代码都需要被解释执行

开发效率

慢，因为需要耗费大量时间编译

快，无需花费时间生成目标代码，更快的开发和测试

调试

难以调试编译器生成的目标代码

容易调试源代码，因为解释器一行一行地执行

可移植性（跨平台）

不同平台需要重新编译目标平台代码

同一份源码可以跨平台执行，因为每个平台会开发对应的解释器

学习难度

相对较高，需要了解源代码、编译器以及目标机器的知识

相对较低，无需了解机器的细节

错误检查

编译器可以在编译代码时检查错误

解释器只能在执行代码时检查错误

运行时增强

无

可以动态增强

2. AOT 与 JIT 对比

JIT

AOT

优点

1.具备实时调整能力
2.生成最优机器指令
3.根据代码运行情况优化内存占用

1.速度快，优化了运行时编译时间和内存消耗
2.程序初期就能达最高性能
3.加快程序启动速度

缺点

1.运行期边编译速度慢
2.初始编译不能达到最高性能

1.程序第一次编译占用时间长
2.牺牲高级语言一些特性

在 OpenJDK 的官方 Wiki 上，介绍了HotSpot 虚拟机一个相对比较全面的、即时编译器（JIT）中采用的优化技术列表。

可使用：-XX:+PrintCompilation 打印JIT编译信息

3. JVM架构

.java === .class === 机器码

JVM: 既有解释器，又有编辑器（JIT：即时编译）；

4. Java的执行过程

建议阅读：

1. 流程概要

解释执行：

编译执行：

2. 详细流程

热点代码：调用次数非常多的代码

5. JVM编译器

JVM中集成了两种编译器，Client Compiler 和 Server Compiler；

  • Client Compiler注重启动速度和局部的优化

  • Server Compiler更加关注全局优化，性能更好，但由于会进行更多的全局分析，所以启动速度会慢。

Client Compiler：

  • HotSpot VM带有一个Client Compiler C1编译器

  • 这种编译器启动速度快，但是性能比较Server Compiler来说会差一些。

  • 编译后的机器码执行效率没有C2的高

Server Compiler：

  • Hotspot虚拟机中使用的Server Compiler有两种：C2 和 Graal。

  • 在Hotspot VM中，默认的Server Compiler是C2编译器。

6. 分层编译

Java 7开始引入了分层编译(Tiered Compiler)的概念，它结合了C1和C2的优势，追求启动速度和峰值性能的一个平衡。分层编译将JVM的执行状态分为了五个层次。五个层级分别是：

  • 解释执行。

  • 执行不带profiling的C1代码。

  • 执行仅带方法调用次数以及循环回边执行次数profiling的C1代码。

  • 执行带所有profiling的C1代码。

  • 执行C2代码。

profiling就是收集能够反映程序执行状态的数据。其中最基本的统计数据就是方法的调用次数，以及循环回边的执行次数。

  • 图中第①条路径，代表编译的一般情况，热点方法从解释执行到被3层的C1编译，最后被4层的C2编译。

  • 如果方法比较小（比如Java服务中常见的getter/setter方法），3层的profiling没有收集到有价值的数据，JVM就会断定该方法对于C1代码和C2代码的执行效率相同，就会执行图中第②条路径。在这种情况下，JVM会在3层编译之后，放弃进入C2编译，直接选择用1层的C1编译运行。

  • 在C1忙碌的情况下，执行图中第③条路径，在解释执行过程中对程序进行profiling ，根据信息直接由第4层的C2编译。

  • 前文提到C1中的执行效率是1层>2层>3层，第3层一般要比第2层慢35%以上，所以在C2忙碌的情况下，执行图中第④条路径。这时方法会被2层的C1编译，然后再被3层的C1编译，以减少方法在3层的执行时间。

  • 如果编译器做了一些比较激进的优化，比如分支预测，在实际运行时发现预测出错，这时就会进行反优化，重新进入解释执行，图中第⑤条执行路径代表的就是反优化。

总的来说，C1的编译速度更快，C2的编译质量更高，分层编译的不同编译路径，也就是JVM根据当前服务的运行情况来寻找当前服务的最佳平衡点的一个过程。从JDK 8开始，JVM默认开启分层编译。

云原生：Cloud Native； Java小改版；

最好的效果：

存在的问题：

  • java应用如果用jar，解释执行，热点代码才编译成机器码；初始启动速度慢，初始处理请求数量少。

  • 大型云平台，要求每一种应用都必须秒级启动。每个应用都要求效率高。

希望的效果：

  • java应用也能提前被编译成机器码，随时急速启动，一启动就急速运行，最高性能

  • 编译成机器码的好处：

  • 另外的服务器还需要安装Java环境

  • 编译成机器码的，可以在这个平台 Windows X64 直接运行。

原生镜像：native-image（机器码、本地镜像）

  • 把应用打包成能适配本机平台 的可执行文件（机器码、本地镜像）

2. GraalVM

https://www.graalvm.org/

GraalVM是一个高性能的JDK，旨在加速用Java和其他JVM语言编写的应用程序的执行，同时还提供JavaScript、Python和许多其他流行语言的运行时。

GraalVM提供了两种运行Java应用程序的方式：

  • 1. 在HotSpot JVM上使用Graal即时（JIT）编译器

  • 2. 作为预先编译（AOT）的本机可执行文件运行（本地镜像）。

GraalVM的多语言能力使得在单个应用程序中混合多种编程语言成为可能，同时消除了外部语言调用的成本。

1. 架构

2. 安装

跨平台提供原生镜像原理：

1. VisualStudio

https://visualstudio.microsoft.com/zh-hans/free-developer-offers/

别选中文

记住你安装的地址；

2. GraalVM

1. 安装

下载 GraalVM + native-image

2. 配置

修改 JAVA_HOME 与 Path，指向新bin路径

验证JDK环境为GraalVM提供的即可：

3. 依赖

安装 native-image 依赖：

  1. 网络环境好：参考：https://www.graalvm.org/latest/reference-manual/native-image/#install-native-image

gu install native-image

  1. 网络不好，使用我们下载的离线jar;native-image-xxx.jar文件

gu install --file native-image-installable-svm-java17-windows-amd64-22.3.2.jar

4. 验证

native-image

3. 测试

1. 创建项目

  • 1. 创建普通java项目。编写HelloWorld类；

  • 使用mvn clean package进行打包

  • 确认jar包是否可以执行java -jar xxx.jar

  • 可能需要给 MANIFEST.MF添加 Main-Class: 你的主类

2. 编译镜像

  • 编译为原生镜像（native-image）：使用native-tools终端

#从入口开始，编译整个jar
native-image -cp boot3-15-aot-common-1.0-SNAPSHOT.jar com.atguigu.MainApplication -o Haha

#编译某个类【必须有main入口方法，否则无法编译】
native-image -cp .\classes org.example.App

3. Linux平台测试

  • 1. 安装gcc等环境

yum install lrzsz
sudo yum install gcc glibc-devel zlib-devel

  • 2. 下载安装配置Linux下的GraalVM、native-image

tar -zxvf graalvm-ce-java17-linux-amd64-22.3.2.tar.gz -C /opt/java/

sudo vim /etc/profile
#修改以下内容
export JAVA_HOME=/opt/java/graalvm-ce-java17-22.3.2
export PATH=$PATH:$JAVA_HOME/bin

source /etc/profile

  • 3. 安装native-image

gu install --file native-image-installable-svm-java17-linux-amd64-22.3.2.jar

  • 4. 使用native-image编译jar为原生程序

native-image -cp xxx.jar org.example.App

3. SpringBoot整合

1. 依赖导入

 <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.graalvm.buildtools</groupId>
                <artifactId>native-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

2. 生成native-image

1、运行aot提前处理命令：mvn springboot:process-aot

2、运行native打包：mvn -Pnative native:build

# 推荐加上 -Pnative
mvn -Pnative native:build -f pom.xml

3. 常见问题

可能提示如下各种错误，无法构建原生镜像，需要配置环境变量；

  • 出现cl.exe找不到错误

  • 出现乱码

  • 提示no include path set

  • 提示fatal error LNK1104: cannot open file 'LIBCMT.lib'

  • 提示 LINK : fatal error LNK1104: cannot open file 'kernel32.lib'

  • 提示各种其他找不到

需要修改三个环境变量：Path、INCLUDE、lib

  • 1、 Path：添加如下值

  • C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\bin\Hostx64\x64

  • 2、新建INCLUDE环境变量：值为

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\include;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\shared;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\ucrt;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\um;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Include\10.0.19041.0\winrt

  • 3、新建lib环境变量：值为

C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.33.31629\lib\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\um\x64;C:\Program Files (x86)\Windows Kits\10\Lib\10.0.19041.0\ucrt\x64

12、可观测性