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0 介绍 Ahead-of-Time Compilation,简称AOT编译,是在Java9中提供的一个功能,它能够事先将应用中或JDK中的字节码编译成机器码(提前做了即时编译器的事儿,但与C1、C2编译有很大差别),然后在启动应用时,使用这些编译好的机器码来加快应用启动速度,可以降低应用启动初期由即时编译器导致的CPU使用率飙高。 1 AOT Quick Start1.1 生成AOT LibraryAOT通过jaotc工具编译(在$JAVA_HOME/bin下),可以.class、java module、jar等为单位进行编译,编译结果为一个.so文件。jaotc是通过Graal编译器生成机器码的。 例如,通过下面方式将一个class文件编译成AOTLibrary: jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class通过下面的方式来编译java.base模块: jaotc --output libjava.base.so --module java.base1.2 使用AOT Library生成的.so文件使用起来非常方便,可通过以下两种方式使用: 将.so文件放到$JAVA_HOME/lib下,JVM启动时会自动加载 添加参数-XX:AOTLibrary,指定使用哪个AOTLibrary 第二种方式,可通过如下方式使用: java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld2 JVM对AOTLibrary的管理JVM将编译好的AOTLibrary当做CodeCache的一个扩展。当一个Java class被加载时,JVM会先在AOTLibrary中看看有没有编译好的、与之匹配的method,如果有就直接使用了。 但我们的代码可能是经常变化的,JVM就需要识别这些变化的代码,并不再从AOTLibrary中加载这些类。这个功能是通过class指纹实现的。在jaotc编译AOTLibrary时,会同时生成每个class的指纹,并存储在编译而成的AOTLibrary中。 然后每次尝试从AOTLibrary中加载时,会比较class的指纹,从而实现这个功能。 此外,生成AOTLibrary时,jaotc编译使用的JDK版本和用于Java应用启动的JVM版本必须是一致的。jaotc后,JDK版本会记录在AOTLibrary中,在AOT被JVM加载时会做检查,如果版本不同,会拒绝加载。 jaotc和启动JVM用的运行时参数也必须是一致的,在jaotc中通过-J来指定Java运行时需要的参数,例如: jaotc -J-XX:+UseParallelGC -J-XX:-UseCompressedOops --output libHelloWorld.so HelloWorld.class java -XX:+UseParallelGC -XX:-UseCompressedOops -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld这些启动参数会被记录在生成的AOT文件中,JVM加载AOT文件时会校验参数是否一致,如果不一致则不会加载这个AOT库,此时,如果-XX:+UseAOTStrictLoading参数开启了,JVM进程会直接退出。 最后提一下,jaotc并没有解决class依赖的问题,这些被依赖的类必须被添加到classpath中,否则在编译AOT的过程中会抛出一个ClassNotFoundException异常。 3 AOT的编译模式AOT有两种编译模式,通过--compile-for-tiered标记控制。添加这个标记的话,意味着使用分层编译方式来生成AOTLibrary,否则使用普通方式编译。 在没有开启的情况下,代码会被静态编译成机器码,这个编译过程是没有profile收集的,并且他不会被JIT重新编译。开启的情况下,会收集程序运行的profiling信息。其效果等同于C1编译器在Tier2层的profiling编译效果,如果代码在运行的过程中达到C1的Tier3层编译的阈值,会触发C1的重新编译,用来收集所有的profiling信息,这些信息将用于C2编译器的编译优化。可以看出,AOT编译即使在开启分层编译模式的情况下,也只是能替代部分C1的编译工作,他无法顶替C2,最终还是要经过C2重新编译的。 所以,对于因为C2导致应用启动CPU飙高的应用来说,使用AOT的方式并不会提升应用启动的性能。 4 案例:生成并使用java.base模块的AOTLibrary因为java.base中的method量过大(大概50000+个),所以在用jaotc生成时,要给足够的内存,通过下面方式生成: jaotc -J-XX:+UseCompressedOops -J-XX:+UseG1GC -J-Xmx4g --compile-for-tiered --info --compile-commands java.base-list.txt --output libjava.base-coop.so --module java.base--compile-commands标记指定的文件可用于指定只编译哪些、或排除编译哪些方法。由于java.base模块中的一些方法会导致编译失败,所以通过java.base-list.txt文件将之排除,这个文件内容如下: cat java.base-list.txt # jaotc: java.lang.StackOverflowError exclude sun.util.resources.LocaleNames.getContents()[[Ljava/lang/Object; exclude sun.util.resources.TimeZoneNames.getContents()[[Ljava/lang/Object; exclude sun.util.resources.cldr.LocaleNames.getContents()[[Ljava/lang/Object; exclude sun.util.resources..*.LocaleNames_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object; exclude sun.util.resources..*.LocaleNames_.*_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object; exclude sun.util.resources..*.TimeZoneNames_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object; exclude sun.util.resources..*.TimeZoneNames_.*_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object; # java.lang.Error: Trampoline must not be defined by the bootstrap classloader exclude sun.reflect.misc.Trampoline.()V exclude sun.reflect.misc.Trampoline.invoke(Ljava/lang/reflect/Method;Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object; # JVM asserts exclude com.sun.crypto.provider.AESWrapCipher.engineUnwrap([BLjava/lang/String;I)Ljava/security/Key; exclude sun.security.ssl.* exclude sun.net.RegisteredDomain.()V # Huge methods exclude jdk.internal.module.SystemModules.descriptors()[Ljava/lang/module/ModuleDescriptor;生成AOTLibrary之后,通过下面方式加载并使用AOTLibrary: java -XX:AOTLibrary=./libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld PS1:由于Java9之后会默认使用G1收集器,并且默认开启UseCompressedOops,所以启动时可以不用指定。 PS2:除了在启动时通过参数-XX:AOTLibrary指定加载的AOTLibrary之外,也可以将生成的.so文件放到$JAVA_HOME/lib下,JVM启动时会自动扫描加载。 5 Java中AOT相关的一些options-XX:+/-UseAOT使用AOT编译的文件,默认开启。 -XX:AOTLibrary=\指定AOT文件,多个文件之间用英文半角逗号分隔(,)。 -XX:+/-PrintAOT在标准输出日志打印使用到的AOTLibrary中的class和method。 下面是一些具备诊断功能的flag,使用时需要优先开启-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+/-UseAOTStrictLoading启动时,如果没有任何一个AOTLibrary与当前的JVM环境匹配上,则JVM进程直接退出。 这个可用于判定是否成功加载并使用了AOTLibrary编译的class或method。 此外,下面的一些参数可通过日志的形式打印AOT的使用情况,需要配合-Xlog参数 aotclassfingerprint当class指纹不匹配时,打印日志。 aotclassload当可用的class在AOTLibrary中找到时,打印日志。 aotclassresolve当解析AOT中的class成功或失败时,打印日志。 6 jaotc的usage使用格式如下: jaotcname表示的是class name或jar文件,list可以是class、modules、jar或包含class文件的目录。 另外,options可以有如下选项: --output \输出的文件名,默认名称是"unnamed.so"。 --class-name \待编译的java classes列表。 --jar \待编译的jar files列表。 --module \待编译的java modules列表。 --directory \指定搜索目录,会从指定目录搜索待编译的文件。 --search-path \搜索指定目录下的文件。 --compile-commands \指定包含编译指令的文件,加载AOT时会执行这些指令进行文件过滤(exclude or compileOnly),用法如下: exclude sun.util.resources..*.TimeZoneNames_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object; exclude sun.security.ssl.* compileOnly java.lang.String.*exclude用于排除指定的方法,被排除掉的不会被编译。 compileOnly用于指定只编译哪些方法。 --compile-for-tiered为分层编译生成带有profiling的代码,默认不生成。 --compile-with-assertions用Java断言生成代码,默认不开启。 --compile-threads \用于编译的线程数量,默认值:min(16, available_cpus) --ignore-errors忽略所有class加载时抛出的异常,默认情况下,如果编译过程中抛出异常,会直接退出编译。 --exit-on-error编译发生error时,退出编译。默认情况下,会跳过编译失败的method,其他的method编译仍会继续。 --info打印编译时的信息。 --verbose打印更全的编译时信息,在--info开启的情况下有效。 --debug打印所有细节编译时的信息,在--info和--verbose同时开启的情况下有效。 --help打印jaotc的usage信息。 --version打印版本信息。 -J\指定JVM运行时参数。 7 使用AOT的一些限制AOT最初在JDK9作为一个实验性的功能出现,并且只能运行在Linux x64系统、64位JVM环境、Parallel或G1环境下。AOT编译时和使用时必须使用相同的JVM参数。AOT的编译和使用必须在同一个系统环境下。无法编译动态生成的java code,例如lambda表达式。AOT不支持使用用户自定义类加载器加载的class,因为在编译阶段无法知晓最终运行是会使用哪个类加载器加载这个class。8 实验# 使用AOT编译java.base模块 /Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk-11.0.3.jdk/Contents/Home/bin/jaotc -J-XX:+UseCompressedOops -J-XX:+UseG1GC -J-Xmx4g --compile-for-tiered --info --compile-commands java.base-list.txt --output libjava.base-coop.so --module java.base8.1 第一次JDK11不带任何参数正常启动启动接口性能:CPU 主要在C2编译器上。 与没有AOT的性能对比看上去好了一些。 8.3 生成JFR,通过JMC进一步分析通过下面的方式生成JFR信息,这条指令的意思是:在应用启动20秒后开始收集JFR,收集120秒。 -XX:StartFlightRecording=delay=20s,duration=120s,name=myrecording,filename=./record.jfr,settings=profile PS: 关于JFR和JMC,可参考:Java Flight Recorder初探分下面三种情况对比,主要对比C2的编译情况: 没有AOT的JFR(收集1分钟)没有分层编译AOT的JFR(收集2分钟)分层编译AOT的JFR(收集2分钟)8.3.1 没有AOT的JFRC2线程CPU时间片的消耗右侧黄色部分表示C2的CPU消耗。 由于没有AOT的JFR收集了1分钟,所以这里的时间跨度是上面的两倍。等比缩小后,可以发现两次在CPU时间片消耗上差不多,但这一次收集时间更长,出现了多个编译时间较长的方法。 8.3.3 分层编译AOT的JFRC2线程CPU时间片的消耗可看出跟没有分层编译是,没有明显差别。这也验证了AOT并不能优化C2的编译时间。 8.4 结论由于我们应用启动时消耗CPU时间片最多的是C2编译器,对于AOT来说,正如上文描述的那样,他并不能降低C2的消耗,所以AOT无法解决我们这类场景的问题。 思考: 其实可以根据AOT编译的原理想一下他适用的场景。AOT是一个静态编译过程,他是离线的,非运行时编译,所以无法收集足够有效的profiling信息,所以他编译的结果肯定无法与C2相媲美。 同时官文中也说了,他可以大概等同于C1的Tier2编译的效果,在这一层上,会收集较少的profiling信息,然后AOT就直接将字节码编译成机器码。根据这个特点,他应该可以用于短时运行应用的启动性能优化。对于长期跑到服务器,他应该是无能为力的。 9 参考JEP 295: Ahead-of-Time Compilation解密新一代 Java JIT 编译器 Graal |
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