Meneroka Graal: Kompilasi JIT Generasi Seterusnya untuk Java

Pengkompil Graal ialah lonjakan radikal ke hadapan dalam teknologi kompilasi Just-In Time (JIT) yang dinamik. Digembar-gemburkan sebagai faktor penting di sebalik prestasi Java yang mengagumkan, peranan dan fungsi kompilasi JIT dalam seni bina Mesin Maya Java (JVM) sering membingungkan ramai pengamal kerana sifatnya yang kompleks dan agak legap.

Apakah pengkompil JIT?

Apabila anda melaksanakan arahan javac atau menggunakan IDE, program Java anda ditukar daripada kod sumber Java kepada kod bait JVM. Ini
proses mencipta perwakilan binari program Java anda - format yang lebih ringkas dan lebih padat daripada kod sumber asal.

Pemproses klasik yang terdapat dalam komputer atau pelayan anda, walau bagaimanapun, tidak dapat melaksanakan kod bait JVM secara langsung. Ini memerlukan JVM untuk mentafsir kod bait.

Rajah 1 – Cara pengkompil just-in-time (JIT) berfungsi

Jurubahasa selalunya boleh berprestasi rendah berbanding kod asli yang dijalankan pada pemproses sebenar, yang mendorong JVM untuk memanggil pengkompil lain pada masa jalan - pengkompil JIT. Pengkompil JIT menterjemah kod bait anda ke dalam kod mesin yang boleh dijalankan terus oleh pemproses anda. Pengkompil canggih ini melaksanakan pelbagai pengoptimuman lanjutan untuk menjana kod mesin berkualiti tinggi.

Kod bait ini bertindak sebagai lapisan perantaraan, membolehkan aplikasi Java dijalankan pada pelbagai sistem pengendalian dengan seni bina pemproses yang berbeza. JVM itu sendiri ialah program perisian yang mentafsir arahan kod bait ini mengikut arahan.

Pengkompil Graal JIT - Ia Ditulis dalam Java

Pelaksanaan OpenJDK JVM mengandungi dua pengkompil JIT konvensional – Pengkompil Pelanggan (C1) dan Pengkompil Pelayan (C2 atau Opto). Pengkompil Klien dioptimumkan untuk operasi yang lebih pantas dan output kod yang kurang dioptimumkan, menjadikannya ideal untuk aplikasi desktop di mana jeda kompilasi JIT yang dilanjutkan boleh mengganggu pengalaman pengguna. Sebaliknya, Pengkompil Pelayan direka bentuk untuk menghabiskan lebih banyak masa menghasilkan kod yang sangat dioptimumkan, menjadikannya sesuai untuk aplikasi pelayan yang berjalan lama.

Kedua-dua penyusun boleh digunakan bersama-sama melalui "kompilasi bertingkat". Pada mulanya, kod disusun melalui C1, diikuti oleh C2 jika kekerapan pelaksanaan membenarkan masa penyusunan tambahan.

Dibangunkan dalam C++, C2, walaupun ciri berprestasi tinggi, mempunyai kelemahan yang wujud. C++ ialah bahasa yang tidak selamat; oleh itu, ralat dalam modul C2 boleh menyebabkan keseluruhan VM ranap. Kerumitan dan ketegaran kod C++ yang diwarisi juga telah menyebabkan penyelenggaraan dan kebolehlanjutannya menjadi cabaran yang ketara.

Unik kepada Graal, pengkompil JIT ini dibangunkan di Jawa. Keperluan utama pengkompil ialah menerima kod bait JVM dan mengeluarkan kod mesin – operasi peringkat tinggi yang tidak memerlukan bahasa peringkat sistem seperti C atau C++.

Graal yang ditulis dalam Java menawarkan beberapa kelebihan:

• Keselamatan yang dipertingkatkan: Pengumpulan sampah Java dan pendekatan memori terurus menghapuskan risiko ranap yang berkaitan dengan memori daripada pengkompil JIT itu sendiri.

• Penyelenggaraan dan sambungan yang lebih mudah: Pangkalan kod Java lebih mudah didekati oleh pembangun untuk menyumbang dan melanjutkan keupayaan pengkompil JIT.

• Kemudahalihan: Kebebasan platform Java diterjemahkan kepada pengkompil Graal JIT yang berpotensi berfungsi pada mana-mana platform dengan Mesin Maya Java.

Antara Muka Pengkompil JVM(JVMCI)

Antara Muka Pengkompil JVM (JVMCI) ialah ciri inovatif dan antara muka baharu dalam JVM (JEP 243: https://openjdk.org/jeps/243).
Sama seperti API pemprosesan anotasi Java, JVMCI juga membenarkan penyepaduan pengkompil Java JIT tersuai.

Antara muka JVMCI terdiri daripada fungsi tulen dari bait ke bait[] :

interface JVMCICompiler {

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

Ini tidak menangkap kerumitan penuh senario kehidupan sebenar.

Dalam aplikasi praktikal, kami sering memerlukan maklumat tambahan seperti bilangan pembolehubah setempat, saiz tindanan dan data yang dikumpul daripada pemprofilan dalam penterjemah untuk lebih memahami prestasi kod tersebut. Oleh itu, antara muka mengambil input yang lebih kompleks. Daripada hanya bytecode, ia menerima CompilationRequest:

public interface JVMCICompiler {

  int INVOCATION_ENTRY_BCI = -1;

  CompilationRequestResult compileMethod(CompilationRequest request);
}

JVMCICompiler.java

Permintaan Kompilasi merangkum maklumat yang lebih komprehensif, seperti JavaMethod yang dimaksudkan untuk penyusunan, dan berpotensi lebih banyak data yang diperlukan oleh pengkompil.

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 < 1_000_000; i++) {
            System.err.println(complexOperation(i, i + 2));
        }
    }

    public static int complexOperation(int a, int b) {
        return ((a + b)-a) / 2;
    }
}

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

Figure 2 – Graal Graphs

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

In Conclusion

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.

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.

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.

Atas ialah kandungan terperinci Meneroka Graal: Kompilasi JIT Generasi Seterusnya untuk Java. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!