文章目录
- 1. 历史背景
- 2. 构建编译调试环境
- 3. JVMCI 编译器接口
- 4. 代码中间表示
- 5. 代码优化与生成
1. 历史背景
Graal 编译器在 JDK 9 以 Jaotc 提前编译工具的形式首次加入到官方的 JDK 中，JDK 10 开始提供替换（得益于 HotSpot 编译器接口，Java Level JVM Compiler Interface，JVMCI）服务端编译器支持；
JVMCI 的三个功能
- 响应 HotSpot 的编译请求，并将请求分发给 Java 实现的即时编译器；
- 允许编译器访问 HotSpot 中与即时编译相关的数据结构，包括类、字段、方法及其性能监控数据等（提供这些数据结构在 Java 语言层面的抽象表示）；
- 提供 HotSpot 代码缓存（Code Cache）的 Java 端抽象表示，允许编译器部署编译完成的二进制机器码；
JVMCI 可以把一个 HotSpot VM 外部的、用 Java 语言实现的即时编译器（不限于 Graal）集成到 HotSpot 中，响应 HotSpot 发出的最顶层的编译请求，并将编译后的二进制代码部署到 HotSpot 的代码缓存；又绕开 HotSpot 的即时编译系统，让编译器直接为应用类库编译出二进制机器码（可当作提前编译器使用，如 Jaotc）；
2. 构建编译调试环境
- 安装 Graal VM 构建工具 mx
git clone https://github.com/graalvm/mx.git
export PATH=`pwd`/mx:$PATH
- 安装带有 JVMCI 的 OpenJDK8
export JAVA_HOME=~/devtools/oraclejdk1.8.0_212-jvmci-20-b01
- 获取 Graal 编译器代码
git clone https://github.com/graalvm/graal.git
- 使用 mx 构建 Graal 编译器
cd graal/compiler
mx build
- 使用 mx 创建项目
cd graal/compiler
mx eclipseinit
编译构建项目可能需要 2GB 已上内存，因此需要调大 IDE 的堆最大内存；
需将带有 JVMCI 的 JDK 作为 IDE 项目的编译运行使用的版本；
3. JVMCI 编译器接口
interface JVMCICompiler {
// 编译的输入是字节数组表示的字节码；额外携带各种方法相关信息，如局部变量表中的变量槽个数、操作数栈的最大深度、分层编译收集到的统计信息等；
// 编译输出的也是字节数组表示的二进制机器码；
void compileMethod(CompilationRequest request);
}
interface CompilationRequest {
JavaMethod getMethod();
}
interface JavaMethod {
byte[] getCode();
int getMaxLocals();
int getMaxStackSize();
ProfilingInfo getProfilingInfo();
... // 省略其他方法
}
即时编译演示
// 示例代码
public class Demo {
public static void main(String[] args) {
// 循环构成热点代码触发即时编译
while (true) {
workload(14, 2);
}
}
private static int workload(int a, int b) {
return a + b;
}
}
# 编译演示
$ javac Demo.java
$ java \
-XX:+PrintCompilation \
-XX:CompileOnly=Demo::workload \
Demo
...
193 1 3 Demo::workload (4 bytes)
199 2 1 Demo::workload (4 bytes)
199 1 3 Demo::workload (4 bytes) made not entrant
...
wordload() 方法被分层编译多次，made not entrant 表示方法被丢弃；
限制性编译演示
# JDK 8 的运行配置
-Djvmci.class.path.append=~/graal/compiler/mxbuild/dists/jdk1.8/graal.jar:~/graal/sdk/mxbuild/dists/jdk1.8/graal-sdk.jar
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:+EnableJVMCI
-XX:+UseJVMCICompiler
-XX:-TieredCompilation
-XX:+PrintCompilation
-XX:CompileOnly=Demo::workload
# JDK 9 或以上版本的运行配置
--module-path=~/graal/sdk/mxbuild/dists/jdk11/graal.jar
--upgrade-module-path=~graal/compiler/mxbuild/dists/jdk11/jdk.internal.vm.compiler.jar
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:+EnableJVMCI
-XX:+UseJVMCICompiler
-XX:-TieredCompilation
-XX:+PrintCompilation
-XX:CompileOnly=Demo::workload
97 1 Demo::workload (4 bytes)
HotSpotGraalCompiler 类中的 compileMethod() 方法实际实现了编译过程；
参数解释
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions，解锁实验性特性；-XX:+EnableJVMCI，启用 JVMCI 接口；-XX:+UseJVMCICompiler，启用 JVMCI 编译器；-XX:-TieredCompilation，关闭分层编译；-XX:+PrintCompilation，打印即时编译过的方法；-XX:CompileOnly=Demo::workload，限定只允许编译 workload() 方法；
4. 代码中间表示
Graal 编译器与 HotSpot C2 编译器保持一致的中间表示形式：Sea-of-Nodes，Ideal Graph，Structured Graph，一种程序依赖图形式（Program Dependence Graph，PDG）；
理想图（Ideal Graph），一种有向图，其节点表示程序中的元素（变量，操作符、方法、字段等），其变表示数据流（虚线）或控制流（实线）；
x+y 的理想图
x、y 两个节点的数据流流入相加操作节点，相加结果数据流出；
getX() + getY() 的理想图
先调佣 getX()，再调用 getY()；
-Dgraal.Dump，输出 Graal 编译器构造的理想图；可通过mx igv命令获得相应Ideal Graph Visualizer工具；
(a + b) / 2 的理想图
int average(int a, int b) {
return (a + b) / 2;
}
- P(0)、P(1) 表示参数 0、1，流入
相加操作节点； - C(2) 表示常量 2，与相加结果一起流入
除法操作节点；
公共子表达式消除演示
// 公共子表达式能够被消除示例
int workload(int a, int b) {
return (a + b) * (a + b);
}
// 公共子表达式是不可以被消除示例
int workload() {
return (getA() + getB()) * (getA() + getB());
}
- 公共子表达式能够被消除的理想图
参数 0、1 的加法操作只进行了一次，却流出了两条数据给乘法操作；
- 公共子表达式是不可以被消除的理想图
四次方法调用全部执行，两个加法操作在两个独立节点进行，该版本不会进行公共子表达式消除；
5. 代码优化与生成
Graal 编译器通过 greateGraph() 方法将字节码转成理想图；
- 理想图是一组不为空的节点集合，所有节点都是继承自 ValueNode 类型的不同子类型（如 AddNode 表示加法操作，BinaryArithmeticNode 表示二院算术操作、BinaryNode 表示二元操作）；
- 字节码到理想图的过程与栈帧中操作数与指令的操作规则相对应（在 BytecodeParser 类中实现，BytecodeParser::getArithmeticOp() 可以看到 iadd 操作码的实现）；
getIntegerAdd() 创建 AddNode 节点
protected ValueNode genIntegerAdd(ValueNode x, ValueNode y) {
return AddNode.create(x, y, NodeView.DEFAULT);
}
理想图节点的主要操作
规范化（Canonicalisation），缩减理想图的规模，优化代码；生成机器码（Generation），代码翻译，Graal 不直接讲理想图转换成机器码，而是先生成 LIR（机器指令集相关），再交由 HotSpot 统一后端产生机器码；Graal 编译器支持的指令集平台只有（SPARC、x86-AMD64、ARMv8-AArch64）；
AddNode 的创建实现
public static ValueNode create(ValueNode x, ValueNode y, NodeView view) {
BinaryOp<Add> op = ArithmeticOpTable.forStamp(x.stamp(view)).getAdd();
Stamp stamp = op.foldStamp(x.stamp(view), y.stamp(view));
ConstantNode tryConstantFold = tryConstantFold(op, x, y, stamp, view);
if (tryConstantFold != null) {
return tryConstantFold;
}
if (x.isConstant() && !y.isConstant()) {
return canonical(null, op, y, x, view);
} else {
return canonical(null, op, x, y, view);
}
}
- canonical() 实现节点的规范化（
算术聚合、符号合并等）；全局规范化则在 CanonicalizerPhase::tryGlobalValueNumbering() 中实现； - tryConstantFold() 尝试常量折叠；
- AddNode::generate() 进行机器码生成；
编译修改演示
class AddNode {
void generate(...) {
// 将原来的 emitAdd() 替换成 emitSub()
... gen.emitSub(op1, op2, false) ...
}
}
不修改 AddNode::generate() 的汇编代码
0x000000010f71cda0: nopl 0x0(%rax,%rax,1)
0x000000010f71cda5: add %edx,%esi ;*iadd {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
; - Demo::workload@2 (line 10)
0x000000010f71cda7: mov %esi,%eax ;*ireturn {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
; - Demo::workload@3 (line 10)
0x000000010f71cda9: test %eax,-0xcba8da9(%rip) # 0x0000000102b74006
; {poll_return}
0x000000010f71cdaf: vzeroupper
0x000000010f71cdb2: retq
修改 AddNode::generate() 的汇编代码
0x0000000107f451a0: nopl 0x0(%rax,%rax,1)
0x0000000107f451a5: sub %edx,%esi ;*iadd {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
; - Demo::workload@2 (line 10)
0x0000000107f451a7: mov %esi,%eax ;*ireturn {reexecute=0 rethrow=0 return_oop=0}
; - Demo::workload@3 (line 10)
0x0000000107f451a9: test %eax,-0x1db81a9(%rip) # 0x000000010618d006
; {poll_return}
0x0000000107f451af: vzeroupper
0x0000000107f451b2: retq
0x000000010f71cda5: add 指令变为 0x0000000107f451a5: sub；
Graal 编译器的出现对学习和研究虚拟机代码编译技术提供了巨大的便利，让 Java 开发人员不用额外接入 C++ 的研究；通过对 Java 编译器的深入了解，有助于开发者分辨哪些代码是编译器可以帮我们处理的，哪些代码是需要我们自己调节以便编译器更好优化的；
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参考资料：
- [1]《深入理解 Java 虚拟机》
