Graal erkunden: JIT-Kompilierung der nächsten Generation für Java

Der Graal-Compiler ist ein radikaler Fortschritt in der dynamischen Just-In-Time-Kompilierungstechnologie (JIT). Die Rolle und Funktion der JIT-Kompilierung innerhalb der Architektur der Java Virtual Machine (JVM), die als wesentlicher Faktor für die beeindruckende Leistung von Java gilt, verwirrt viele Praktiker aufgrund ihrer komplexen und eher undurchsichtigen Natur.

Was ist ein JIT-Compiler?

Wenn Sie den javac-Befehl ausführen oder die IDE verwenden, wird Ihr Java-Programm vom Java-Quellcode in JVM-Bytecode konvertiert. Das
Der Prozess erstellt eine binäre Darstellung Ihres Java-Programms – ein Format, das viel einfacher und kompakter ist als der ursprüngliche Quellcode.

Klassische Prozessoren in Ihrem Computer oder Server sind jedoch nicht in der Lage, JVM-Bytecode direkt auszuführen. Dies erfordert, dass die JVM den Bytecode interpretiert.

Abbildung 1 – Funktionsweise eines Just-in-Time (JIT)-Compilers

Interpreter weisen im Vergleich zu nativem Code, der auf einem tatsächlichen Prozessor ausgeführt wird, häufig eine schlechtere Leistung auf, was die JVM dazu motiviert, zur Laufzeit einen anderen Compiler aufzurufen – den JIT-Compiler. Der JIT-Compiler übersetzt Ihren Bytecode in Maschinencode, den Ihr Prozessor direkt ausführen kann. Dieser hochentwickelte Compiler führt eine Reihe fortschrittlicher Optimierungen aus, um hochwertigen Maschinencode zu generieren.

Dieser Bytecode fungiert als Zwischenschicht und ermöglicht die Ausführung von Java-Anwendungen auf verschiedenen Betriebssystemen mit unterschiedlichen Prozessorarchitekturen. Die JVM selbst ist ein Softwareprogramm, das diesen Bytecode Anweisung für Anweisung interpretiert.

Der Graal JIT Compiler – Er ist in Java geschrieben

Die OpenJDK-Implementierung der JVM enthält zwei herkömmliche JIT-Compiler – den Client-Compiler (C1) und den Server-Compiler (C2 oder Opto). Der Client-Compiler ist für einen schnelleren Betrieb und eine weniger optimierte Codeausgabe optimiert und eignet sich daher ideal für Desktop-Anwendungen, bei denen längere JIT-Kompilierungspausen das Benutzererlebnis beeinträchtigen können. Umgekehrt ist der Server-Compiler so konzipiert, dass er mehr Zeit mit der Erstellung hochoptimierten Codes verbringt, wodurch er für Serveranwendungen mit langer Laufzeit geeignet ist.

Die beiden Compiler können durch „gestufte Kompilierung“ gleichzeitig verwendet werden. Zunächst wird der Code über C1 kompiliert, gefolgt von C2, wenn die Ausführungshäufigkeit die zusätzliche Kompilierungszeit rechtfertigt.

C2 wurde in C++ entwickelt und weist trotz seiner Hochleistungseigenschaften inhärente Nachteile auf. C++ ist eine unsichere Sprache; Daher könnten Fehler im C2-Modul zum Absturz der gesamten VM führen. Die Komplexität und Starrheit des übernommenen C++-Codes haben auch dazu geführt, dass seine Wartung und Erweiterbarkeit zu einer erheblichen Herausforderung geworden sind.

Dieser JIT-Compiler ist einzigartig bei Graal und wurde in Java entwickelt. Die Hauptanforderung des Compilers besteht darin, JVM-Bytecode zu akzeptieren und Maschinencode auszugeben – eine Operation auf hoher Ebene, die keine Sprache auf Systemebene wie C oder C++ erfordert.

Das Schreiben von Graal in Java bietet mehrere Vorteile:

• Verbesserte Sicherheit: Javas Garbage Collection und der verwaltete Speicheransatz eliminieren das Risiko speicherbedingter Abstürze durch den JIT-Compiler selbst.

• Einfachere Wartung und Erweiterung: Die Java-Codebasis ist für Entwickler zugänglicher, um zum JIT-Compiler beizutragen und dessen Funktionen zu erweitern.

• Portabilität: Die Plattformunabhängigkeit von Java führt dazu, dass der Graal JIT-Compiler möglicherweise auf jeder Plattform mit einer Java Virtual Machine funktioniert.

Die JVM-Compiler-Schnittstelle (JVMCI)

Das JVM Compiler Interface (JVMCI) ist eine innovative Funktion und eine neue Schnittstelle in der JVM (JEP 243: https://openjdk.org/jeps/243).
Ähnlich wie die Java Annotation Processing API ermöglicht die JVMCI auch die Integration eines benutzerdefinierten Java JIT-Compilers.

Die JVMCI-Schnittstelle umfasst eine reine Funktion von Byte zu Byte[]:

interface JVMCICompiler {

  byte[] compileMethod(byte[] bytecode);
}

Dies erfasst nicht die volle Komplexität realer Szenarien.

In praktischen Anwendungen benötigen wir häufig zusätzliche Informationen wie die Anzahl lokaler Variablen, die Stapelgröße und Daten aus der Profilerstellung im Interpreter, um die Leistung des Codes besser zu verstehen. Daher nimmt die Schnittstelle eine komplexere Eingabe entgegen. Anstelle von nur Bytecode wird ein CompilationRequest:
akzeptiert

public interface JVMCICompiler {

  int INVOCATION_ENTRY_BCI = -1;

  CompilationRequestResult compileMethod(CompilationRequest request);
}

JVMCICompiler.java

Eine CompilationRequest kapselt umfassendere Informationen, z. B. welche Java-Methode für die Kompilierung vorgesehen ist, und möglicherweise noch viel mehr Daten, die der Compiler benötigt.

CompilationRequest.java

This approach has the benefit of providing all necessary details to the custom JIT-compiler in a more organized and contextual manner. To create a new JIT-compiler for the JVM, one must implement the JVMCICompiler interface.

Ideal Graph

An aspect where Graal truly shines in terms of performing sophisticated code optimization is in its use of a unique data structure: the program-dependence-graph, or colloquially, an "Ideal Graph".

The program-dependence-graph is a directed graph that presents a visual representation of the dependencies between individual operations, essentially laying out the matrix of dependencies between different parts of your Java code.

Let's illustrate this concept with a simple example of adding two local variables, x and y. The program-dependence-graph for this operation in Graal's context would involve three nodes and two edges:

• Nodes:

  • Load(x) and Load(y): These nodes represent the operations of loading the values of variables x and y from memory into registers within the processor.
  • Add: This node embodies the operation of adding the values loaded from x and y.

• Edges:

  • Two edges would be drawn from the Load(x) and Load(y) nodes to the Add node. These directional paths convey the data flow. They signify that the values loaded from x and y are the inputs to the addition operation.

      +--------->+--------->+
      | Load(x)  | Load(y)  |
      +--------->+--------->+
                 |
                 v
              +-----+
              | Add |
              +-----+

In this illustration, the arrows represent the data flow between the nodes. The Load(x) and Load(y) nodes feed their loaded values into the Add node, which performs the addition operation. This visual representation helps Graal identify potential optimizations based on the dependencies between these operations.

This graph-based architecture provides the Graal compiler with a clear visible landscape of dependencies and scheduling in the code it compiles. The program-dependence-graph not only maps the flow of data and relationships between operations but also offers a canvas for Gaal to manipulate these relationships. Each node on the graph is a clear candidate for specific optimizations, while the edges indicate where alterations would propagate changes elsewhere in the code - both aspects influence how Graal optimizes your program's performance.

Visualizing and analyzing this graph can be achieved through a tool called the IdealGraphVisualizer, or IGV. This tool is invaluable in understanding the intricacies of Graal's code optimization capabilities. It allows you to pinpoint how specific parts of your code are being analyzed, modified, and optimized, providing valuable insights for further code enhancements.

Let's consider a simple Java program that performs a complex operation in a loop:

public class Demo {
 public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i 



<p>When compiled with Graal, the Ideal Graph for this program would look something like this(<strong>Figure 2</strong>).</p>

<p><img src="/static/imghwm/default1.png" data-src="https://img.php.cn/upload/article/000/000/000/172509339871886.jpg?x-oss-process=image/resize,p_40" class="lazy" alt="Exploring Graal: Next-Generation JIT Compilation for Java"></p>

<p><em>Figure 2 – Graal Graphs</em></p>

<p>Therefore, along with its method level optimizations and overall code performance improvements, this graph-based representation constitutes the key to understanding the power of the Graal compiler in optimizing your Java applications</p>

<h2>
  
  
  In Conclusion
</h2>

<p>The Graal JIT compiler represents a significant leap forward in Java performance optimization. Its unique characteristic of being written in Java itself offers a compelling alternative to traditional C-based compilers. This not only enhances safety and maintainability but also paves the way for a more dynamic and adaptable JIT compilation landscape.</p>

<p>The introduction of the JVM Compiler Interface (JVMCI) further amplifies this potential. By allowing the development of custom JIT compilers in Java, JVMCI opens doors for further experimentation and innovation. This could lead to the creation of specialized compilers targeting specific needs or architectures, ultimately pushing the boundaries of Java performance optimization.</p>

<p>In essence, Graal and JVMCI represent a paradigm shift in JIT compilation within the Java ecosystem. They lay the foundation for a future where JIT compilation can be customized, extended, and continuously improved, leading to even more performant and versatile Java applications.</p>


          

            
        

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