如果我们将字节码看作是程序语言的一种中间表示形式，那编译器无论在何时、在何种状态下把Class文件转换成与本地基础设施相关的二进制机器码，它都可以视为整个编译过程的后端。

1 即时编译器

即时编译器是指运行时将热点代码编译成本地机器码，并以各种手段尽可能地进行代码优化的后端编译器。

1.1 解释器与编译器

1.1.1 解释器

将字节码解释成具体平台的机器码。

其主要作用是：

1）当程序需要迅速启动或执行时，解释器可以首先发挥作用，省去编译的时间。

2）节约内存。

3）作为编译器激进优化时后备的逃生门。

1.1.2 编译器

程序启动后，随着时间推移，编译器逐渐发挥作用，把越来越多的代码编译成本地代码，减少解释器的中间损耗，获得更高的执行效率。

HotSpot虚拟机中内置两个（或三个）即时编译器，其中两个分别为“客户端编译器”(Client Compiler)简称为C1编译器和“服务端编译器”(Server Compiler)简称为C2编译器，第三个是JDK10才出现的，长期目标是代替C2点Graal编译器。

1.1.3 分层编译

为了在程序启动响应速度和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。在JDK 7 服务端模式虚拟机中作为默认编译策略被开启。

第0层。程序纯解释执行，并且解释器不开启性能监控功能。

第1层。使用客户端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。

第2层。仍使用客户端编译器执行，仅开启方法及回边次数统计等有限的性能监控功能。

第3层。仍使用客户端编译器执行，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、虚方法调用版本等全部等统计信息。

第4层。使用服务端编译器将字节码编译为本地代码，启用更多耗时更长的优化，还会根据性能监控信息进行一些不可靠的激进优化。

1.2 编译对象与触发条件

1.2.1 编译对象

会被即时编译器编译的目标是“热点代码”，主要由两类：1）被多次调用的方法。2）被多次执行的循环体。

1.2.2 触发条件

判断某段代码是不是热点代码，是否触发即时编译的这种行为称为“热点探测”。进行热点探测并不一定要知道方法具体被调用了多少次，目前主流的热点探测判定方式有两种：

1）基于采样的热点探测。虚拟机会周期性地检查各个线程的调用栈顶，如果发现某些方法经常出现在栈顶，那这个方法就是“热点方法”。

该方法实现简单高效，还可以很容易地获取方法调用关系，缺点是很难精确地确认一个方法的热度，容易受到线程阻塞的影响。

2）基于计数器的热点探测。为每个方法（甚至是代码块）建立计数器，统计方法的执行次数。

该方法实现起来要麻烦些，但是统计结果相对来说更加精确严谨。

方法调用计数器并不是方法被调用的绝对数，而是一个相对的执行频率。当超过一定时间限度，如果次数仍不足，那该方法的调用计数器就会被减少一半。这个过程被称为计数器热度的衰减，而这段时间被称为半衰周期。

1.3 编译过程

在默认条件下，虚拟机在编译器还未完成编译之前，都仍然将按照解释器方式继续执行代码，而编译动作则在后台的编译线程中进行。

服务端编译器和客户端编译器的编译过程是有所差别的。

1.3.1 客户端编译器

是一个相对简单快速的三段式编译器，主要的关注点在于局部性的优化，而放弃了许多耗时较长的全局优化手段。

图客户端编译器大致的执行过程

第一阶段：将字节码完成一部分基础优化，如方法内联、常量传播等。然后构造成一种高级中间代码表示（HIR，即与目标机器指令集无关的中间表示）。HIR使用静态单分配（SSA）的形式来代表代码值。

第二阶段：在HIR上完成另一些优化，如空值检查消除、范围检查消除等。然后产生低级中间代码表示(LIR,即与目标机器指令集相关的中间表示)。

最后阶段：使用线性扫描算法在LIR上分配寄存器，并在LIR上做窥孔优化，然后产生机器代码。

1.3.2 服务端编译器

是专门面向服务端的典型应用场景，并为服务器性能配置针对性调整过的编译器，也是一个能容忍很高优化复杂度的高级编译器。

会执行大部份经典优化动作，还可能根据解释器或客户端编译器提供的性能监控信息，进行一些不稳定的预测性激进优化。

2 编译器优化技术

编译器的工作，难道不在于能否成功翻译出机器码，而在于输出代码优化质量的高低。

2.1 方法内联

最重要的优化技术之一。被称为优化之母，除了消除方法调用的成本之外，它更重要的意义是为其他优化手段建立良好的基础。

方法内联是把目标方法的代码原封不动地“复制”到发起调用到方法中。

public class MethodInline {
    static void method1() {
        System.out.println("method1");
    }

    static void method2() {
        System.out.println("method2");
        method1();
    }
}

上面代码经过方法内联后变为：

static void method2() {
System.out.println("method2");
System.out.println("method1");
}

在实际的内联过程，因为Java虚方法都必须在运行时进行方法接收者都多态选择，它们都可能存在多于一个版本的方法接收者。

2.1.1 类型继承关系分析（CHA）

为了解决虚方法的内联问题，Java虚拟机首先引入类型继承关系分析技术，范围为整个应用程序。用于确定目前已加载的类中，某个接口是否有多于一种的实现、某个类是否存在子类、某个子类是否覆盖了父类的某个虚方法等信息。

图 Java虚方法内联

2.2 逃逸分析

最前沿的优化技术之一。并不是直接优化代码的手段，而是为其他优化措施提供依据的分析技术。

基本原理：分析对象动态作用域，当一个对象在方法里被定义后，它可能被外部方法所引用，例如作为调用参数传递到其他方法中，这种称为方法逃逸；甚至可能被外部线程访问到，称为线程逃逸。

如果证明一个对象不会逃逸到方法或线程之外，则可能为这个对象实例采取不同程度的优化，如：

栈上分配。如果确定一个对象不会逃逸出线程之外，那可以让这个对象在栈上分配内存（平常在堆中存储对象数据）。对象所占用到内存空间可以随栈帧出栈而销毁。栈上分配支持方法逃逸而不支持线程逃逸。
标量替换。一个数据已经无法再分解成更小的数据来表示了，称为标量，相反则称为聚合量。如果一个对象不会被方法外部访问，并且这个对象可被拆散，那么程序真正执行的时候将可以不去创建这个对象，而改用直接创建它的若干个被这个方法使用的成员变量来代替。
同步消除。线程同步本身是一个相对耗时的过程，如果一个变量不会逃逸出线程，那么这个变量的读写肯定就不会有竞争，对这个变量实施的同步措施就可以安全地消除掉。