本专题，我们将聚焦于JVM的后端编译过程，这是提高Java程序运行效率的核心环节。本文将详细介绍后端编译的执行方式、即时编译中的C1、C2编译器，还有分层编译的策略。
1 编译运行概述
Java 程序的编译过程是分为两部分：
- 前端编译：将java文件编译成为class文件中的字节码指令，是在 JVM 虚拟机之外执行的，注重逻辑；
- 后端编译：将class文件的字节码指令编译成操作系统能识别的机器指令，需要进入到 JVM 虚拟机，也是执行引擎要做的事，注重性能。我们将重点介绍后端编译。
2 后端编译
后端编译有两种方式：
- 解释执行：来一条字节码指令就翻译一次，早期的JVM执行引擎就是这么做的。这种方式需要在上层语言和机器码之间经过中间一层JVM字节码的转换，效率也因此比不上C/C++。这种方式的编译器又叫做解释器。
- 编译执行：先编译后执行。将字节码指令，提前编译成机器码放到缓存里，执行的时候直接从缓存中查，以此来提升执行效率。
- 即时编译JIT：在运行时，将热点字节码指令编译成本地机器码
- 提前编译AOT：在运行前，将字节码指令编译成本地机器码
2.1 编译方式
HotSpot默认采用的混合执行模式，可以使用java -version可以进行查看，java -Xint -version切换为编译执行，java -Xcomp -version切换为解释执行
为什么JVM不直接采用性能明显更高的编译执行模式呢？
- 内存压力大：随着编译执行将越来越多的代码编译成本地代码，会消耗更多的内存。参数
-XX:ReservedCodeCacheSize = N（其中N是为特定编译器提供的默认值）主要设置热点代码缓存CodeCache的大小。如果缓存不够，则JIT无法继续编译，并且会去优化，比如编译执行改为解释执行，由此性能会降低。 - 性能消耗高：编译执行需要较长的预热过程。在 CodeCache 中的代码缓存维护好之前，编译执行相比解释执行需要额外的性能消耗，用来识别热点代码，维护 CodeCache 。同时，编译执行在识别热点代码的过程中，还需要解释执行来帮助提供一些信息支持。
2.2 即时编译器
HotSpot虚拟机中内置了两个即时编译器，分别被称为“客户端编译器”和“服务端编译器”，简称为C1编译器和C2编译器。
- C1编译器：进行简单可靠的优化，耗时短，启动快，占用内存小，但优化程度不太高。适合小巧的桌面应用，因此也称为客户端编译器。
- C2编译器：进行激进的优化，执行效率高，但启动慢，占用内存多。比较适合一些资源充裕的服务级应用，因此也称为服务端编译器。
- Graavl编译器：使用 Java 语言进行编写，用来代替用C/C++编写的越来越臃肿的C1、C2编译器，并由此诞生了GraavlVM。
虽然C2的优化效果最好，但是也不可能直接使用C2进行编译，因为使用C2进行编译之前，往往需要通过C1编译器收集很多额外的数据，而C2编译器的最终优化效果，也需要跟C1进行比较才能确定。某些特定情况下，C2的执行效果有可能还不如C1，这时就需要重新优化，重新编译。所以这两个编译器并不是互相取代的关系，而是相互协作的关系。
2.3 分层编译
由于即时编译器编译本地代码需要占用程序运行时间，通常要编译出优化程度越高的代码，所花费的时间便会越长；而且想要编译出优化程度更高的代码，解释器还要收集性能监控信息，这对解释执行阶段的速度也有所影响。为了在程序启动响应速度与运行效率之间达到最佳平衡，HotSpot虚拟机在编译子系统中加入了分层编译的功能，分层编译根据编译器编译、优化的规模与耗时，划分出不同的编译层次。
| 等级 | 描述 | 性能 |
|---|---|---|
| 0 | 解释代码（程序纯解释执行，并且解释器不开启性能监控功能(Profiling)） | 1 |
| 1 | 简单的C1（编译代码使用C1编译器将字节码编译为本地代码来运行，进行简单可靠的稳定优化。不开启性能监控功能） | 4 |
| 2 | 有限的C1（仍然使用C1编译器执行，仅开启方法及回边次数统计等有限的性能监控功能） | 3 |
| 3 | 完整的C1（仍然使用C1编译器执行，开启全部性能监控，除了第2层的统计信息外，还会收集如分支跳转、虚方法调用版本等统计信息） | 2 |
| 4 | C2编译代码（使用C2编译器将字节码编译为本地代码，相比起C1编译器，C2编译器会启用更多编译耗时更长的优化，还会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化） | 5 |
JDK8 中提供了参数 -XX:TieredStopAtLevel=<等级> 可以指定使用哪一层编译模型。
3 结语
后端编译是JVM编译运行过程中的关键环节，它将字节码编译成机器码，显著提高了程序的执行效率。后端编译的执行方式包括解释执行、编译执行和混合执行，其中即时编译器（JIT）在运行时将热点代码编译成机器码。C1、C2编译器是HotSpot JVM中的两种主要即时编译器，它们在不同的场景下有不同的应用。分层编译策略则通过在不同层次上应用不同的编译器和优化策略，平衡了启动时间和运行效率。
在后续的博文中，我们将继续深入探讨JVM编译运行的其他方面，包括JIT编译器的内部机制、热点代码的识别和优化策略等。