「译」Graal JIT编译器是如何工作的
原文understanding how graal works - a java jit compiler written in java，讲了jvmci和ideal graph的基本概念以及一些优化技术，很不错的一篇文章，开头结尾不太重要的部分已经省略，请见谅。
jit编译器是什么
我敢说很多读者都知道jit编译器是什么，但是我还是会覆盖基本概念，让在场各位都没有基础上的疑问。
当你运行javac命令，或者用ide保存的时候就做编译，你的java程序会从java代码编译成jvm字节码。jvm字节码是java代码的二进制形式的表示。它比起源码来说更紧凑，更简单。但是绝大多数cpu是不能直接执行jvm字节码的。
要运行java程序需要jvm解释字节码。解释字节码通常都会比运行在真正cpu上的机器代码要慢，所以jvm可以在运行时使用其他编译器，将字节码编译成你的cpu可以直接跑的机器代码。
这个编译器通常会比javac更复杂，会做很多优化来产出高质量的机器代码。
为什么jit编译器要用java来写
openjdk是jvm的一个实现，现在它包含两个jit编译器。客户端编译器，也叫c1，设计目的是编译速度要快，所以产出的代码会包含较少优化。服务器编译器，也叫opto或者c2，设计初衷是花更多的时间产出高效优化的代码。
两者的设计动机是c1适合桌面应用程序，它们不能容忍因为jit编译导致长时间的停顿，c2适合长时间运行的服务器程序，它们可以花更多时间在编译上面。
现在的jvm将它们组合在了一起，代码首先使用c1编译，如果后面还在运行而且值得为它花费额外时间就使用c2再做编译。这个机制叫做分层编译。
让我们把目光转向c2——花更多时间在优化上面
我们可以从github克隆openjdk镜像，或者可以直接浏览它的网站下载。
$ git clone https://github.com/dmlloyd/openjdk.git
c2代码位于openjdk/hotspot/src/share/vm/opto.
首先，c2使用c++写的。当然c++没什么本质上的错误，但却有一些麻烦。c++是一门不安全的语言——这意味这c++的错误可以造成虚拟机crash。也由于代码年代久远，用c++写的c2变得很难维护，很难扩展。
c2背后的关键人物cliff click说他再也不会用c++写虚拟机，我们也听twitter jvm团队说c2目前是一滩死水，亟待一个替代品，因为在它上面开发太困难了。
所以回到问题，为什么java可以帮我们解决这些问题？呃因为上述所有需求都暗示我们用java而不是c++。java异常比c++ cash更安全，没有内存泄漏，没有悬空指针，也有很多工具比如调试器，profiler，visualvm，还有很多ide支持，等等。
你可能会想用java写一个jit编译器这怎么可能？你可能认为只有使用低级系统语言比如c++才能做到，但是在这个talk中我想说不是的，完全不是！事实上jit编译器要做的只是接受jvm字节码然后产出机器代码——你收到一个byte[]数组然后返还一个byte[]即可。它可能背后做很多复杂的工作，但是这完全不涉及一个真的“系统”，你也不需要一个“系统”语言——一些定义认为系统语言是指类似c或者c++的语言，但不是java。
配置graal
我们要做的第一件事是java9。graal使用的接口叫做jvmci，由jep 243java-level jvm compiler interface提案加入到java中。 第一个实现提案的版本是java9。我使用9+181。如果有特殊需求也可以使用backport jvmci的java8。
$ export java_home=`pwd`/jdk9 $ export path=$java_home/bin:$path $ java -version java version "9" java(tm) se runtime environment (build 9+181) java hotspot(tm) 64-bit server vm (build 9+181, mixed mode)
下一步需要一个构建工具mx。 他有点像maven或gradle，但是可能你从没在你的程序上用过它。它支持一些复杂的使用样例，但是我们只使用它做简单的构建工作。
$ git clone https://github.com/graalvm/mx.git $ cd mx; git checkout 7353064 $ export path=`pwd`/mx:$path
接着我们克隆graal本身。。我是用graalvm的一个版本，版本号是0.28.2
$ git clone https://github.com/graalvm/graal.git --branch vm-enterprise-0.28.2
该仓库包含了一些项目，目前我们不关心。我们可以切换到compiler子目录，那就是graal jit本身。然后使用mx构建它。
$ cd graal/compiler $ mx build
现在我要使用eclipse ide打开graal源码。我是用eclipse 4.7.1。 mx支持生成eclipse项目文件。
$ mx eclipseinit
如果你想使用graal作为workspace，点file，import...,general,existing projects然后选择graal目录即可。如果你没用java9运行eclipse本身，那你可能需要attach一个jdk。
ok，现在万事俱备，以一个简单的代为例我会展示它是如何工作的。
class demo {
public static void main(string[] args) {
while (true) {
workload(14, 2);
}
}
private static int workload(int a, int b) {
return a + b;
}
}
我们将用javac编译，然后使用jvm运行。首先使用传统的c2 jit。在这之前我们加上一些参数，用-xx:+printcompilation jvm记录哪些方法便已过，用-xx:compileonly=demo::workload让编译器只编译某个方法，免得输出太多了。
$ javac demo.java
$ java \
-xx:+printcompilation \
-xx:compileonly=demo::workload \
demo
...
113 1 3 demo::workload (4 bytes)
...
上面的log表示workload方法被编译了，其他细节信息我不做解释。
现在让我们使用刚刚构建的graal作为java9 jvm的jit编译器。我们需要再加一些比较复杂的flags。
·--module-path=...和--upgrade-module-path=...把graal加入模块路径。注意模块是jigsaw模块系统的东西，现在已经加入java9，目前来说你可以将模块路径看成是classpath。
我们需要-xx:+unlockexperimentalvmoptions因为jvmci（graal使用的）现目前还是实验性质的。
然后加上-xx:+enablejvmci告诉jvm我们要使用jvmci，然后加上-xx：+usejvmcicompiler告诉jvm我们想配置一个新的jit编译器。
接着简单起见，加上-xx:-tieredcompilation关闭分层编译让jvm只有一个jvmci编译器而不是c1和jvmci混合分层。
当然，前面的-xx:+printcompilation 和-xx:compileonly=demo::workload还是保持不变。和之前一样，我们会看到有一个方法被编译了虽然是使用graal编译的。现在请只管跟着我做。
$ java \
--module-path=graal/sdk/mxbuild/modules/org.graalvm.graal_sdk.jar:graal/truffle/mxbuild/modules/com.oracle.truffle.truffle_api.jar \
--upgrade-module-path=graal/compiler/mxbuild/modules/jdk.internal.vm.compiler.jar \
-xx:+unlockexperimentalvmoptions \
-xx:+enablejvmci \
-xx:+usejvmcicompiler \
-xx:-tieredcompilation \
-xx:+printcompilation \
-xx:compileonly=demo::workload \
demo
...
583 25 demo::workload (4 bytes)
...
jvmci编译器接口
我们现在做的很牛逼了不是吗？我们有个jvm，然后用新的jit替换了之前的那个，还用它编译了代码，且没有改变jvm的任何代码。让这一切变得可能的正是jvmci——jvm编译器接口——之前提到过jep243提出它现在已经并入java9。
这个idea和jvm现有的一些技术其实差不多。
以前你可能用java注解处理api添加过一些注解到javac，它们可以处理源代码。不难看出java注解就是个获取它们附着于的源代码，然后产出新源代码的工具。
你可能使用过java agent做自定义的java字节码处理。它可以拦截java字节码然后修改它。
jvmci和它们一样。它让你可以插入一个java写的jit编译器到jvm上。
等下我会介绍ppt上展示的代码的一些方法，然后我会简化标识符和逻辑帮助你理解这个idea，接着我会切换到eclpse的一些屏幕截图向你展示真的代码，虽然可能有点复杂，但是大体上是一样的。这个talk的重要内容就是帮助你深入源码本身，所以我不想隐藏它，尽管它很复杂。
首先我想消除你觉得jit编译器极其复杂的想法。jit编译器的输入什么？它获取要编译的方法的字节码，字节码，看名字就知道是“一个字节数组的代码”。jit编译器输出什么？它输出方法对应的机器代码。机器代码也是“一个字节数组的代码“
所以当你写一个新jit插入到jvm的时候你要实现的接口看起来类似下面：
interface jvmcicompiler {
byte[] compilemethod(byte[] bytecode);
}
所以你大可不必认为java怎么能做jit编译产出机器码这么底层的事情，他就是个byte[]到byte[]的函数而已。
不过实际上的比这要复杂一些。只是一个字节数组的代码还不够，我们还想要一些信息比如局部变量的个数，栈的大小，解释器收集到的profiling信息等，这让我们可以了解实际代码运行的情况。因此输入不是字节数组而是一个compilationrequest，它可以告诉我们哪一个javamethod要编译，然后给我们需要的所有信息。
interface jvmcicompiler {
void compilemethod(compilationrequest request);
}
interface compilationrequest {
javamethod getmethod();
}
interface javamethod {
byte[] getcode();
int getmaxlocals();
int getmaxstacksize();
profilinginfo getprofilinginfo();
...
}
同样，接口不返回编译好的机器代码。取而代之是你调用其他api告诉虚拟机你想装配上机器代码。
hotspot.installcode(targetcode);
现在为jvm写一个jit编译器我们只需要实现这个接口就好了。我们得到了想要编译的方法的信息，然后编译成机器代码，最后调用installcode
class graalcompiler implements jvmcicompiler {
void compilemethod(compilationrequest request) {
hotspot.installcode(...);
}
}
让我们切换到eclipse ide，看看这些接口到底长什么样。和我前面说的一样，他有点复杂但不是很复杂
现在我想像你展示的就是我们可以马上改graal的代码然后在java9中使用它。我会在graal编译方法的地方加一些log代码
class hotspotgraalcompiler implements jvmcicompiler {
compilationrequestresult compilemethod(compilationrequest request) {
system.err.println("going to compile " + request.getmethod().getname());
...
}
}
现在关闭hotspot的编译记录，然后用我们修改的版本
$ java \ --module-path=graal/sdk/mxbuild/modules/org.graalvm.graal_sdk.jar:graal/truffle/mxbuild/modules/com.oracle.truffle.truffle_api.jar \ --upgrade-module-path=graal/compiler/mxbuild/modules/jdk.internal.vm.compiler.jar \ -xx:+unlockexperimentalvmoptions \ -xx:+enablejvmci \ -xx:+usejvmcicompiler \ -xx:-tieredcompilation \ -xx:compileonly=demo::workload \ demo
如果你在elipse中编辑，你会注意到我们甚至没有运行mx build。正常的eclipse编译即可。我们完全不需要编译jvm本身。我们可以看可以立刻把修改好的编译器插入到现有的jvm。
graal graph
ok，现在我们知道graal是把byte[]转成另一个byte[]。让我们说说这个转化背后 的理论和数据结构。因为它有点不寻常，即使是对于编译器来说。
本质来说编译器做的事情是操纵程序。要操纵程序需要一些用来表示程序本身的数据结构。字节码和类似的指令序列都行，但是表达力不强。
相反，graal使用图结构来表示你的程序。如果你对两个局部变量做加饭，图将为每个局部变量创建一个node，还有一个表示加法的node，两条边指示局部变量node流入加法node。
这种图也被叫做程序依赖图。
如果有一个表达式比如x+y，我们会看到两个表示x，y的node，一个对两者做加法的node。
图中蓝色的边表示数据流，它们读取局部变量的值，流入加法node。我们也可以使用边表示程序运行的顺序。如果我们调用两个方法而不是读取两个局部变量，比如getx(),gety()，然后我们需要记住调用顺序。这个也可以通过一条边来表示，即下面的红边。
graal图可以说是将两种图以某种方式结合到了一起。节点相同，但是一个边集（edge set）表示数据流，另一个边集表示控制流。
你可以用idealgraphvisualiser这个工具可视化graal图。运行mx igv即可。
然后jvm加上参数-dgraal.dump
我们可以写个简单的表达式看看数据流
int average(int a, int b) {
return (a + b) / 2;
}
你可以看到参数0（写作p(0)）和参数1（写作p(1)）是如何送入加法操作的，然后结果是如何和常量2（写作c(2)）送入除法操作的。计算最后结果返回。
如果我们引入一个循环可以看到更复杂的数据流和控制流
int average(int[] values) {
int sum = 0;
for (int n = 0; n < values.length; n++) {
sum += values[n];
}
return sum / values.length;
}
现在图中有节点表示循环起始，有节点表读取数组元素，有节点读取数组长度。和之前一样，蓝线表示数据流，红线表示控制流。
从上面不难看出为什么这个数据结构有时候又叫做节点海（sea of nodes），或者节点汤（soup of nodes）。
我想说c2使用非常类似的数据结构，也正是因为c2使得这种节点海编译器变得留下，它不是graal的创新。
关于图是怎么构建的这里我先不展示，当你的程序使用graal graph这种格式，编译和优化都修改这个数据结构而已。这也是为什么用java写jit没问题的原因。java是oop语言，graal graph是对象的集合，然后引用视作边将他们链接起来。
从字节码到机器代码
让我们从实际除法，看看编译的流程。
1.字节码输入
编译始于字节码。我们回到之前的简单加法示例。
int workload(int a, int b) {
return a + b;
}
我们在编译开始位置输出要编译的字节码
class hotspotgraalcompiler implements jvmcicompiler {
compilationrequestresult compilemethod(compilationrequest request) {
system.err.println(request.getmethod().getname() + " bytecode: "
+ arrays.tostring(request.getmethod().getcode()));
...
}
}
workload bytecode: [26, 27, 96, -84]
2.字节码解析器和图构造器
字节数组被解析为jvm字节码然后放入图构造器。这是另一种形式的解释器，只是比较抽象。它解释执行字节码，只是不传递它们的值而是传递边然后将他们连接起来。让我们享受一下java写graal的好处，用elipse navigation工具看看它怎么工作的。我们知道示例有一个加法节点，现在看看它们是怎么创建的。
可以看到字节码解析器解析到iadd的时候创建了它们。如果这是一个真的jvm解释器，他会pop两个栈上的值，然后做加法，然后push结果到栈上。现在从栈上pop两个node表示计算的操作数，然后添加一个node表示加法操作，最后把它们push到栈上表示计算结果。如此操作我们得倒了graal graph。
3. 生成汇编
我们想要将graal graph转化为机器代码，需要为图中每个node生成机器代码。这一步在generate方法中完成。
void generate(generator gen) {
gen.emitadd(a, b);
}
再一次的，我们在高层次抽象上面工作，又一个类生成类加法的汇编，但是不知道细节。emitadd的细节有点复杂和抽象，因为算数操作会根据operand的不同很多组合，并且不同的操作符可以共享绝大部分代码，所以我们简化一下程序
int workload(int a) {
return a + 1;
}
它使用加法指令，然后我会向你展示类似的汇编
void incl(register dst) {
int encode = prefixandencode(dst.encoding);
emitbyte(0xff);
emitbyte(0xc0 | encode);
}
void emitbyte(int b) {
data.put((byte) (b & 0xff));
}
可以看到它生成字节作为输出，这些都放到一个标准的bytebuffer里面——它可以用来构建字节数组
4. 汇编输出
和前面提到的字节码输入一样，我们看看机器代码的输出是什么样的。我们改一下源码让他log生成的机器码
class hotspotgraalcompiler implements jvmcicompiler {
compilationresult compilehelper(...) {
...
system.err.println(method.getname() + " machine code: "
+ arrays.tostring(result.gettargetcode()));
...
}
}
我们也可以使用一个工具反汇编生成的呃机器代码，它是hotspot的标准组件——不是graal的。我会展示怎么构建这个工具——它在openjdk仓库中但是默认没有在jvm中，所以只得自己构建它
$ cd openjdk/hotspot/src/share/tools/hsdis $ curl -o http://ftp.heanet.ie/mirrors/gnu/binutils/binutils-2.24.tar.gz $ tar -xzf binutils-2.24.tar.gz $ make binutils=binutils-2.24 arch=amd64 cflags=-wno-error $ cp build/macosx-amd64/hsdis-amd64.dylib ../../../../../..
现在加上两个flag -xx:+unlockdiagnosticvmoptions -xx:+printassembly
$ java \ --module-path=graal/sdk/mxbuild/modules/org.graalvm.graal_sdk.jar:graal/truffle/mxbuild/modules/com.oracle.truffle.truffle_api.jar \ --upgrade-module-path=graal/compiler/mxbuild/modules/jdk.internal.vm.compiler.jar \ -xx:+unlockexperimentalvmoptions \ -xx:+enablejvmci \ -xx:+usejvmcicompiler \ -xx:-tieredcompilation \ -xx:+printcompilation \ -xx:+unlockdiagnosticvmoptions \ -xx:+printassembly \ -xx:compileonly=demo::workload \ demo
现在我们可以运行示例然后看看生成的加法指令
workload machine code: [15, 31, 68, 0, 0, 3, -14, -117, -58, -123, 5, ...]
...
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
ok，为了检验我们是不是真的掌握了，我们修改一下加法的实现，用减法代替。我会修改generate方法的加法节点，然后生成减法
class addnode {
void generate(...) {
... gen.emitsub(op1, op2, false) ... // changed from emitadd
}
}
运行之后会看到生成的机器代码数组改变了，机器指令也改变了
workload mechine code: [15, 31, 68, 0, 0, 43, -14, -117, -58, -123, 5, ...]
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
所以这里我们学到了什么？graal真的接受一个字节码数组，我们可以看到图node是如何从那个数组上创建的，我们可以看到机器代码是如何基于node生成的，然后机器指令是如何编码的。我们可以看到我们能改变graal工作机制。
[26, 27, 96, -84] → [15, 31, 68, 0, 0, 43, -14, -117, -58, -123, 5, ...]
优化
现在我们知道了怎么得到图表示，图node怎么生成机器代码，现在再让我们看看graal是怎么优化图让它高效的。
一个优化阶段（phase）是一个方法，它有修改图的机会。你要写一个优化阶段需要实现下面的接口。
interface phase {
void run(graph graph);
}
1. 规范化（canonicalisation）
规范化意味着重排node，形成一个统一的表示，规范化还有些其他目的，不过这次ppt我们要说的是规范化意味着常量折叠和节点简化。
节点可以简化自身，它们本身有一个canonical方法
interface node {
node canonical();
}
让我们看看负节点（negate node），负节点即一元减法操作。如果一个一元减法作用于另一个一元减法，那么减法本身就会消除，只留下原始值，，即--x == x
class negatenode implements node {
node canonical() {
if (value instanceof negatenode) {
return ((negatenode) value).getvalue();
} else {
return this;
}
}
}
这是个理解graal绝佳的来自。代码逻辑已经不能在简化了。
如果你有一个java操作要简化，你可以修改canonical方法实现。
2. 全局值编号（global value numbering）
全局值编号是一种移除冗余代码的技术。这个例子中，a+b可以只计算一次，然后使用两次计算得倒的值。
int workload(int a, int b) {
return (a + b) * (a + b);
}
graal可以比较两个node看它们是否相等。如果相等则简化。graal的全局值编号阶段会迭代检查每个节点是否和其他任何节点相等，，如果相等就会替换为另一个节点的拷贝。他把所有节点放入hash map，这样可以高效完成。有点类似于node缓存。
注意测试节点不是固定的，这意味着节点在某个确定的时间不能有副作用。如果我们使用方法调用代替，就变成了确定的
int workload() {
return (geta() + getb()) * (geta() + getb());
}
3. 锁粗化（lock coarsening）
来看一个更复杂的例子。有时候我们会在一个小范围内对同一个对象多次使用synchonrized，虽然可能不会有意为之，但是编译器内联优化可能会导致那种代码产生。
void workload() {
synchronized (monitor) {
counter++;
}
synchronized (monitor) {
counter++;
}
}
我们可以对它进行去糖化，然后高效实现
void workload() {
monitor.enter();
counter++;
monitor.exit();
monitor.enter();
counter++;
monitor.exit();
}
我们可以优化这段代码，只进出一次monitor而不是多次进出，这就是锁粗化
void workload() {
monitor.enter();
counter++;
counter++;
monitor.exit();
}
在graal中锁粗化由 lockeliminationphase这个阶段实现。它的 run 方法查看所有monitor退出节点，然后看它们是否后面马上跟一个monitor 进入节点。如果后面确认使用了使用了相同的monitor，会移除它们，只留下一个monitor进/出节点。
void run(structuredgraph graph) {
for (monitorexitnode monitorexitnode : graph.getnodes(monitorexitnode.class)) {
fixednode next = monitorexitnode.next();
if (next instanceof monitorenternode) {
accessmonitornode monitorenternode = (accessmonitornode) next;
if (monitorenternode.object() == monitorexitnode.object()) {
monitorexitnode.remove();
monitorenternode.remove();
}
}
}
}
这样做是值得的，因为少了额外monitor进/出意味着代码变少了，其实这里还允许我们继续优化，可以把两个递增组合起来变成+2
void workload() {
monitor.enter();
counter += 2;
monitor.exit();
}
让我们用igv看看。可以看到原图有两对monitoer enter/exit，然后变成了一对，当优化phase运行之后，两个递增变成了一个加法。