Java高级——Graal编译器介绍
Graal编译器介绍
Graal编译器由Java实现，支持提前编译和即时编译
JDK9推出Java虚拟机编译器接口（Java-Level JVM CompilerInterface，JVMCI），将Graal从HotSpot代码中独立出来（即可外部挂载）
构建编译调试环境
这里大坑，试了很多个版本都报错，文件放置在自己的Home下，不要放在奇奇怪怪的目录，保持同一个用户，否则可能会有权限问题！！！
下载构建工具mx
git clone https://github.com/graalvm/mx.git
git checkout 5.247.4
下载Graal编译器代码
git clone https://github.com/oracle/graal.git
git checkout release/graal-vm/19.3
使用带JVMCI的JDK 1.8，可在如下网站下载
https://github.com/graalvm/openjdk8-jvmci-builder/releases
Python版本如下
配置编译环境，将mx添加到环境变量，指定编译使用的JDK
export PATH=$PATH:/home/song/mx
export JAVA_HOME=/home/song/Downloads/jdk1.8
编译，无报错即编译成功
cd graal/compiler
mx build
编译完成后构建为Eclipse项目
cd graal/compiler
mx eclipseinit
下载Eclipse安装，修改eclipse.ini设置最大堆为2G
启动Eclipse，将编译graal的JDK设置为默认，Window-Java-installed JREs，删除原来的，点击add-Standard VM-Diectory选择存放目录会自动识别
在installed JREs下面的Execution Enviroments选择对应JDK并打勾
在Java-Compiler选择对应JDK
File-Import-General-Existing Projects into Workspace选择graal根目录导入项目
项目有报错但不影响下面步骤
JVMCI编译器接口
JVMCICompiler接口如下，除了接收字节码之外，还有方法的局部变量槽个数、操作数栈深度等信息
interface JVMCICompiler {void compileMethod(CompilationRequest request);
}interface CompilationRequest {JavaMethod getMethod();
}interface JavaMethod {byte[] getCode();int getMaxLocals();int getMaxStackSize();ProfilingInfo getProfilingInfo();... // 省略其他方法
}
通过继承关系，可看到HotSpotGraalCompiler实现了JVMCI
对于如下程序
public class Demo {public static void main(String[] args) {while (true) {workload(14, 2);}}private static int workload(int a, int b) {return a + b;}
}
先使用分层编译，添加虚拟机参数
-XX:+PrintCompilation -XX:CompileOnly=Demo::workload
可看到wordload()方法被分层编译了多次，“made not entrant”的输出就表示了方法的某个已编译版本被丢弃过
若只使用graal编译器运行，添加如下参数
-Djvmci.class.path.append=/home/song/graal/compiler/mxbuild/dists/jdk1.8/graal.jar:/home/song/graal/sdk/mxbuild/dists/jdk1.8/graal-sdk.jar
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:+EnableJVMCI
-XX:+UseJVMCICompiler
-XX:-TieredCompilation
-XX:+PrintCompilation
-XX:CompileOnly=Demo::workload
为了验证结果，修改HotSpotGraalCompiler类的compileMethod()方法，输出编译的方法名称和编译耗时
public CompilationRequestResult compileMethod(CompilationRequest request) {long time = System.currentTimeMillis();CompilationRequestResult result = compileMethod(request, true, graalRuntime.getOptions());System.out.println("compile method:" + request.getMethod().getName());System.out.println("time used:" + (System.currentTimeMillis() - time));return result;
}
运行代码，可看到对应输出
代码中间表示
Graal采用理想图作为中间表示，其是有向图，节点表示程序的元素，边表示数据或控制流，对如下程序
public class Demo {public static void main(String[] args) {while (true) {workload(14, 2);}}static int workload(int a, int b) {return (a + b) * (a + b);}
}
添加参数-Dgraal.Dump输出理想图
-Djvmci.class.path.append=/home/song/graal/compiler/mxbuild/dists/jdk1.8/graal.jar:/home/song/graal/sdk/mxbuild/dists/jdk1.8/graal-sdk.jar
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:+EnableJVMCI
-XX:+UseJVMCICompiler
-XX:-TieredCompilation
-XX:+PrintCompilation
-XX:CompileOnly=Demo::workload
-Dgraal.Dump
可看到类似输出
在如下地址下载Ideal Graph Visualizer
https://www.oracle.com/technetwork/graalvm/downloads/index.html
修改idealgraphvisualizer/etc/idealgraphvisualizer.conf配置JDK
通过./idealgraphvisualizer/bin/idealgraphvisualizer打开软件，打开上面生成的文件
如上，参数的加法操作只进行了一次，然后流出两条数据流到乘法操作的输入中，说明产生了公共子表达式消除，而对于如下程序
public class Demo {private static int A;private static int B;public static void main(String[] args) {while (true) {workload();}}static int workload() {return (getA() + getB()) * (getA() + getB());}public static int getA() {return A;}public static int getB() {return B;}}
getA()和getB()方法内部逻辑不确定的，只能在内联之后才能考虑进一步的优化措施，函数调用时无法实现公共子表达式消除，如下进行了4次调用方法、2次加法、1次乘法
代码优化
生成理想图的函数为greateGraph()，其数据结构为ValueNode子类节点集合，转换到理想图过程被封装在BytecodeParser类，
以BytecodeParser::genArithmeticOp()中的iadd操作为例，先出栈2个操作数，通过genIntegerAdd()相加再入栈
过程由AddNode节点表示，代码如下
protected ValueNode genIntegerAdd(ValueNode x, ValueNode y) {return AddNode.create(x, y, NodeView.DEFAULT);
}
如下，AddNode在创建节点时调用canonical()，在其中优化缩减理想图（即代码优化），如进行了
- 算术聚合（如将(a+1)+2聚合为a+3）
- 符号合并（如将(a-b)+b合并为a）等操作
public static ValueNode create(ValueNode x, ValueNode y, NodeView view) {BinaryOp op = ArithmeticOpTable.forStamp(x.stamp(view)).getAdd();Stamp stamp = op.foldStamp(x.stamp(view), y.stamp(view));ConstantNode tryConstantFold = tryConstantFold(op, x, y, stamp, view);if (tryConstantFold != null) {return tryConstantFold;}if (x.isConstant() && !y.isConstant()) {return canonical(null, op, y, x, view);} else {return canonical(null, op, x, y, view);}
}
而公众子表达式消除实现在tryGlobalValueNumbering()方法中，若发现了可以进行消除的算术子表达式，则找出重复的节点替换、删除，如下
public boolean tryGlobalValueNumbering(Node node, NodeClass nodeClass) {if (nodeClass.valueNumberable()) {Node newNode = node.graph().findDuplicate(node);if (newNode != null) {assert !(node instanceof FixedNode || newNode instanceof FixedNode);node.replaceAtUsagesAndDelete(newNode);COUNTER_GLOBAL_VALUE_NUMBERING_HITS.increment(debug);debug.log("GVN applied and new node is %1s", newNode);return true;}}return false;
}
机器码生成
先生成低级中间表示（LIR，与具体机器指令集相关的中间表示），再由HotSpot产生机器码，对如下程序
public class Demo {public static void main(String[] args) {while (true) {workload(14, 2);}}static int workload(int a, int b) {return a+b;}
}
添加虚拟机参数
-Djvmci.class.path.append=/home/song/graal/compiler/mxbuild/dists/jdk1.8/graal.jar:/home/song/graal/sdk/mxbuild/dists/jdk1.8/graal-sdk.jar
-XX:+UnlockExperimentalVMOptions
-XX:+EnableJVMCI
-XX:+UseJVMCICompiler
-XX:-TieredCompilation
-XX:+PrintAssembly
-XX:CompileOnly=Demo::workload
-XX:+DebugNonSafepoints
从下面地址下载hsdis-amd64.so放到$JAVA_HOME/lib/amd64
https://github.com/cmuramoto/hsdis
编译生成汇编如下
加法操作在AddNode::generate()中调用ArithmeticLIRGeneratorTool的emitAdd()方法生成机器码，将其改为emitSub
可看到对应汇编变成了sub
