34 | Graal：用Java编译Java
最后这三篇文章，我将介绍Oracle Labs的GraalVM项目。
GraalVM是一个高性能的、支持多种编程语言的执行环境。它既可以在传统的OpenJDK上运行，也可以通过AOT（Ahead-Of-Time）编译成可执行文件单独运行，甚至可以集成至数据库中运行。
除此之外，它还移除了编程语言之间的边界，并且支持通过即时编译技术，将混杂了不同的编程语言的代码编译到同一段二进制码之中，从而实现不同语言之间的无缝切换。
今天这一篇，我们就来讲讲GraalVM的基石Graal编译器。
在之前的篇章中，特别是介绍即时编译技术的第二部分，我们反反复复提到了Graal编译器。这是一个用Java写就的即时编译器，它从Java 9u开始便被集成自JDK中，作为实验性质的即时编译器。
Graal编译器可以通过Java虚拟机参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions \-XX:+UseJVMCICompiler启用。当启用时，它将替换掉HotSpot中的C2编译器，并响应原本由C2负责的编译请求。
在今天的文章中，我将详细跟你介绍一下Graal与Java虚拟机的交互、Graal和C2的区别以及Graal的实现细节。
Graal和Java虚拟机的交互
我们知道，即时编译器是Java虚拟机中相对独立的模块，它主要负责接收Java字节码，并生成可以直接运行的二进制码。
具体来说，即时编译器与Java虚拟机的交互可以分为如下三个方面。
- 响应编译请求；
- 获取编译所需的元数据（如类、方法、字段）和反映程序执行状态的profile；
- 将生成的二进制码部署至代码缓存（code cache）里。
即时编译器通过这三个功能组成了一个响应编译请求、获取编译所需的数据，完成编译并部署的完整编译周期。
传统情况下，即时编译器是与Java虚拟机紧耦合的。也就是说，对即时编译器的更改需要重新编译整个Java虚拟机。这对于开发相对活跃的Graal来说显然是不可接受的。
为了让Java虚拟机与Graal解耦合，我们引入了Java虚拟机编译器接口（JVM Compiler Interface，JVMCI），将上述三个功能抽象成一个Java层面的接口。这样一来，在Graal所依赖的JVMCI版本不变的情况下，我们仅需要替换Graal编译器相关的jar包（Java 9以后的jmod文件），便可完成对Graal的升级。
JVMCI的作用并不局限于完成由Java虚拟机发出的编译请求。实际上，Java程序可以直接调用Graal，编译并部署指定方法。
Graal的单元测试便是基于这项技术。为了测试某项优化是否起作用，原本我们需要反复运行某一测试方法，直至Graal收到由Java虚拟机发出针对该方法的编译请求，而现在我们可以直接指定编译该方法，并进行测试。我们下一篇将介绍的Truffle语言实现框架，同样也是基于这项技术的。
Graal和C2的区别
Graal和C2最为明显的一个区别是：Graal是用Java写的，而C2是用C加加写的。相对来说，Graal更加模块化，也更容易开发与维护，毕竟，连C2的作者Cliff Click大神都不想重蹈用C加加开发Java虚拟机的覆辙。
许多开发者会觉得用C加加写的C2肯定要比Graal快。实际上，在充分预热的情况下，Java程序中的热点代码早已经通过即时编译转换为二进制码，在执行速度上并不亚于静态编译的C加加程序。
再者，即便是解释执行Graal，也仅是会减慢编译效率，而并不影响编译结果的性能。
换句话说，如果C2和Graal采用相同的优化手段，那么它们的编译结果是一样的。所以，程序达到稳定状态（即不再触发新的即时编译）的性能，也就是峰值性能，将也是一样的。
由于Java语言容易开发维护的优势，我们可以很方便地将C2的新优化移植到Graal中。反之则不然，比如，在Graal中被证实有效的部分逃逸分析（partial escape analysis）至今未被移植到C2中。
Graal和C2另一个优化上的分歧则是方法内联算法。相对来说，Graal的内联算法对新语法、新语言更加友好，例如Java 8的lambda表达式以及Scala语言。
我们曾统计过数十个Java或Scala程序的峰值性能。总体而言，Graal编译结果的性能要优于C2。对于Java程序来说，Graal的优势并不明显；对于Scala程序来说，Graal的性能优势达到了10%。
大规模使用Scala的Twitter便在他们的生产环境中部署了Graal编译器，并取得了11%的性能提升。（Slides, Video，该数据基于GraalVM社区版。）
Graal的实现
Graal编译器将编译过程分为前端和后端两大部分。前端用于实现平台无关的优化（如方法内联），以及小部分平台相关的优化；而后端则负责大部分的平台相关优化（如寄存器分配），以及机器码的生成。
在介绍即时编译技术时，我曾提到过，Graal和C2都采用了Sea-of-Nodes IR。严格来说，这里指的是Graal的前端，而后端采用的是另一种非Sea-of-Nodes的IR。通常，我们将前端的IR称之为High-level IR，或者HIR；后端的IR则称之为Low-level IR，或者LIR。
Graal的前端是由一个个单独的优化阶段（optimization phase）构成的。我们可以将每个优化阶段想象成一个图算法：它会接收一个规则的图，遍历图上的节点并做出优化，并且返回另一个规则的图。前端中的编译阶段除了少数几个关键的之外，其余均可以通过配置选项来开启或关闭。
Graal编译器前端的优化阶段（局部）
感兴趣的同学可以阅读Graal repo里配置这些编译优化阶段的源文件
HighTier.java，MidTier.java，以及LowTier.java。
我们知道，Graal和C2都采用了激进的投机性优化手段（speculative optimization）。
通常，这些优化都基于某种假设（assumption）。当假设出错的情况下，Java虚拟机会借助去优化（deoptimization）这项机制，从执行即时编译器生成的机器码切换回解释执行，在必要情况下，它甚至会废弃这份机器码，并在重新收集程序profile之后，再进行编译。
举个以前讲过的例子，类层次分析。在进行虚方法内联时（或者其他与类层次相关的优化），我们可能会发现某个接口仅有一个实现。
在即时编译过程中，我们可以假设在之后的执行过程中仍旧只有这一个实现，并根据这个假设进行编译优化。当之后加载了接口的另一实现时，我们便会废弃这份机器码。
Graal与C2相比会更加激进。它从设计上便十分青睐这种基于假设的优化手段。在编译过程中，Graal支持自定义假设，并且直接与去优化节点相关联。
当对应的去优化被触发时，Java虚拟机将负责记录对应的自定义假设。而Graal在第二次编译同一方法时，便会知道该自定义假设有误，从而不再对该方法使用相同的激进优化。
Java虚拟机的另一个能够大幅度提升性能的特性是intrinsic方法，我在之前的篇章中已经详细介绍过了。在Graal中，实现高性能的intrinsic方法也相对比较简单。Graal提供了一种替换方法调用的机制，在解析Java字节码时会将匹配到的方法调用，替换成对另一个内部方法的调用，或者直接替换为特殊节点。
举例来说，我们可以把比较两个byte数组的方法java.util.Arrays.equals(byte[],byte[])替换成一个特殊节点，用来代表整个数组比较的逻辑。这样一来，当前编译方法所对应的图将被简化，因而其适用于其他优化的可能性也将提升。
总结与实践
Graal是一个用Java写就的、并能够将Java字节码转换成二进制码的即时编译器。它通过JVMCI与Java虚拟机交互，响应由后者发出的编译请求、完成编译并部署编译结果。
对Java程序而言，Graal编译结果的性能略优于OpenJDK中的C2；对Scala程序而言，它的性能优势可达到10%（企业版甚至可以达到20%！）。这背后离不开Graal所采用的激进优化方式。
今天的实践环节，你可以尝试使用附带Graal编译器的JDK。在Java 10，11中，你可以通过添加虚拟机参数-XX:+UnlockExperimentalVMOptions \-XX:+UseJVMCICompiler来启用，或者下载我们部署在Oracle OTN上的基于Java 8的版本。
在刚开始运行的过程中，Graal编译器本身需要被即时编译，会抢占原本可用于编译应用代码的计算资源。因此，目前Graal编译器的启动性能会较差。最后一篇我会介绍解决方案。