JEP 295：提前编译

概括

在启动虚拟机之前将 Java 类编译为本机代码。

目标

改善小型和大型 Java 应用程序的启动时间，对峰值性能的影响至多有限。
尽可能少地改变最终用户的工作流程。

非目标

没有必要提供显式的、公开的类似库的机制来保存和加载编译的代码。

动机

JIT 编译器速度很快，但 Java 程序可能会变得非常大，以至于 JIT 需要很长时间才能完全预热。不常用的 Java 方法可能根本不会被编译，可能会因重复解释调用而导致性能损失。

描述

任何 JDK 模块、类或用户代码的 AOT 编译都是实验性的，JDK 9 不支持。

要使用 AOTedjava.base模块，用户必须编译该模块并将生成的 AOT 库复制到 JDK 安装目录中，或在 java 命令行上指定它。 AOT 编译代码的使用对于最终用户来说是完全透明的。

AOT 编译是由一个新工具完成的jaotc：

jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
jaotc --output libjava.base.so --module java.base

它使用Graal作为代码生成后端。

在 JVM 启动期间，AOT 初始化代码在众所周知的位置查找众所周知的共享库，或者在命令行上使用 AOTLibrary 标志指定。如果找到共享库，则会拾取并使用它们。如果未找到共享库，则该 JVM 实例的 AOT 将被关闭。

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld

以下小节列出了新的 java AOT 标志和jaotc标志，其中还包含有关如何为java.base模块构建和安装 AOT 库的说明。

AOT 编译代码使用的容器格式是共享库。 JDK 9版本仅支持Linux/x64，其中共享库格式为ELF。 AOT 库中 AOT 编译的代码被 JVM 视为现有 CodeCache 的扩展。当加载 java 类时，JVM 会查找加载的 AOT 库中是否存在相应的 AOT 编译方法，并从 java 方法描述符添加指向它们的链接。 AOT 编译的代码遵循与普通 JIT 编译的代码相同的调用/去优化/卸载规则。

由于类字节码可能会随着时间的推移而发生变化，无论是通过更改源代码还是通过类转换和重新定义，JVM 需要检测此类更改，并在字节码不匹配时拒绝 AOT 编译的代码。这是通过_类指纹识别_来实现的。在 AOT 编译期间，会生成每个类的指纹并将其存储在共享库的数据部分中。稍后，当加载一个类并找到该类的 AOT 编译代码时，会将当前字节码的指纹与存储在共享库中的指纹进行比较。如果存在不匹配，则不会使用该特定类的 AOT 代码。

AOT 编译和执行期间应使用相同的 JDK。 Java 版本记录在 AOT 库中并在加载期间进行检查。 Java更新时需要AOT重新编译。

jaotc不解析不是系统类或编译类的一部分的引用类。它们必须添加到类路径中。否则，在 AOT 编译期间可能会抛出 ClassNotFoundException。

jaotc --output=libfoo.so --jar foo.jar -J-cp -J./
jaotc --output=libactivation.so --module java.activation -J--add-module=java.se.ee

AOT使用

使用jaotc工具执行AOT编译。该工具是 java 安装的一部分 - 与javac.

jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class

然后在应用程序执行期间指定生成的AOT库：

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld

对于此版本，在 AOT 编译和执行期间应使用相同的 java 运行时配置。例如：

jaotc -J-XX:+UseParallelGC -J-XX:-UseCompressedOops --output libHelloWorld.so HelloWorld.class 
java -XX:+UseParallelGC -XX:-UseCompressedOops -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld

它包括使用相同 JDK 构建变体的要求：产品或调试。

运行时配置记录在 AOT 库中，并在执行期间加载库时进行验证。如果验证失败，则不会使用此 AOT 库，并且 JVM 将继续运行或退出（如果-XX:+UseAOTStrictLoading指定了标志）。

在 JVM 启动期间，AOT 初始化代码会在众所周知的位置查找众所周知的共享库或由-XX:AOTLibrary选项指定的库。如果找到共享库，则会拾取并使用它们。如果找不到共享库，则此 JVM 实例运行的 AOT 将被关闭。

AOT 库可以通过标志控制以两种模式编译--compile-for-tiered：

_非分层 AOT_编译代码的行为与静态编译的 C++ 代码类似，因为不会收集分析信息，也不会发生 JIT 重新编译。
_分层 AOT_编译代码确实会收集分析信息。完成的分析与在第 2 层编译的 C1 方法完成的_简单分析_相同。如果 AOT 方法达到 AOT 调用阈值，则这些方法首先由第 3 层的 C1 重新编译，以便收集完整的分析信息。这是 C2 JIT 重新编译所必需的，以便生成最佳代码并达到峰值应用程序性能。

在第 3 层重新编译代码的额外步骤是必要的，因为完整分析的开销太高，无法用于所有方法，特别是对于诸如java.base.对于用户应用程序来说，允许使用第 3 层等效分析进行 AOT 编译可能是有意义的，但 JDK 9 不支持这一点。

逻辑编译模式java.base是分层 AOT，因为java.base需要对方法进行 JIT 重新编译以达到峰值性能。仅在某些情况下，非分层 AOT 编译才有意义。这包括需要可预测行为的应用程序（当占用空间比峰值性能更重要时），或者对于不允许动态代码生成的系统。在这些情况下，AOT 编译需要在整个应用程序上完成，因此在 JDK 9 中是实验性的。

可以为不同的执行环境生成AOT库集。 JVM 知道为特定运行时配置生成的 AOT 库well-known的下一个名称。java.base它将在 $JAVA_HOME/lib 目录中查找它们并加载与当前运行时配置相对应的：

-XX:-UseCompressedOops -XX:+UseG1GC :       libjava.base.so
-XX:+UseCompressedOops -XX:+UseG1GC :       libjava.base-coop.so
-XX:-UseCompressedOops -XX:+UseParallelGC : libjava.base-nong1.so
-XX:+UseCompressedOops -XX:+UseParallelGC : libjava.base-coop-nong1.so

JVM 还知道下一个 java 模块的 AOT 库名称，但它们的编译、安装和使用都是实验性的：

java.base
jdk.compiler 
jdk.scripting.nashorn 
jdk.internal.vm.ci 
jdk.internal.vm.compiler

`java.base`为模块生成和使用 AOT 库的步骤

使用编译java.base模块jaotc。它需要很大的java堆来保存所有编译方法的数据（大约50000个方法）：

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

一些方法会java.base导致编译失败，可以通过使用--compile-comands选项排除：

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.<clinit>()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.<clinit>()V
# Huge methods
exclude jdk.internal.module.SystemModules.descriptors()[Ljava/lang/module/ModuleDescriptor;

生成 AOT 库后，在应用程序执行期间使用-XX:AOTLibrary选项指定它（默认情况下，java 在 JDK 9 中使用 G1 和压缩 oops - 您不需要指定这些标志）：

java -XX:AOTLibrary=./libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorld

或者将生成的AOT库复制到JDK安装目录（您可能需要调整目录的权限）：

cp libjava.base-coop.so $JAVA_HOME/lib/

在这种情况下，它将自动加载，无需在命令行上指定：

java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld

考虑strip使用 AOT 库中未使用的符号来减少库的大小。

新的运行时 AOT 标志

-XX:+/-UseAOT

使用 AOT 编译的文件。默认情况下它是打开的。

-XX:AOTLibrary=<file>

指定 AOT 库文件的列表。使用冒号 (:) 或逗号 (,) 分隔库条目。

-XX:+/-PrintAOT

打印使用的 AOT 类和方法。

附加诊断标志可用（需要指定 -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions 标志）：

-XX:+/-UseAOTStrictLoading

如果任何 AOT 库的运行时配置与当前运行时设置不匹配，则退出 JVM。

JVM 运行时具有以下与JEP 158 集成的统一日志记录 AOT 标签：统一 JVM 日志记录。

aotclassfingerprint

创建日志案例类的指纹与 AOT 库中记录的指纹不匹配。

aotclassload

当AOT库中找到相应的类数据时创建日志。

aotclassresolve

当 AOT 编译代码解析类的请求成功或失败时创建日志。

jaotc：Java 提前编译器

jaotc是java静态编译器，它为编译后的java方法生成本机代码。它使用 Graal 作为代码生成后端，并使用 libelf 来生成 .so AOT 库。

该工具是 java 安装的一部分，使用方式与javac.

jaotc <options> <name or list>

其中“name”是类名或 jar 文件。 'list' 是一个 : 分隔的类名、模块、jar 文件或包含类文件的目录的列表。

jaotc可以使用以下选项：

--output <file>

输出文件名。默认名称是“unnamed.so”。

--class-name <class names>

要编译的 Java 类列表

--jar <jar files>

要编译的 jar 文件列表

--module <modules>

要编译的 Java 模块列表

--directory <dirs>

搜索要编译的文件的目录列表

--search-path <dirs>

搜索指定文件的目录列表

--compile-commands <file>

带有编译命令的文件名：

exclude sun.util.resources..*.TimeZoneNames_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object; 
exclude sun.security.ssl.* 
compileOnly java.lang.String.*

AOT 目前识别两个编译命令：

exclude       - exclude compilation of specified methods 
compileOnly   - compile only specified methods

正则表达式用于指定类和方法。

--compile-for-tiered

为分层编译生成分析代码。默认情况下，不会生成分析代码（将来可能会更改）。

--compile-with-assertions

使用 java 断言生成代码。默认情况下不生成断言代码。

--compile-threads <number>

要使用的编译线程数。默认值为min(16, available_cpus)。

--ignore-errors

忽略类加载期间引发的所有异常。如果类加载抛出异常，默认退出编译。

--exit-on-error

出现编译错误时退出。默认情况下，会跳过失败的编译并继续编译其他方法。

--info

打印有关编译阶段的信息

--verbose

打印有关编译阶段的更多详细信息，打开 --info 标志

--debug

打印更多详细信息，打开 --info 和 --verbose 标志

--help

打印jaotc使用消息和标志

--version

打印版本信息

-J<flag>

将标志直接传递给 JVM 运行时系统

当前 AOT 限制

JDK 9 中的 AOT 初始版本仅供实验使用，并且仅限于运行带有并行或 G1 GC 的 64 位 Java 的 Linux x64 系统。
AOT 编译必须在 Java 应用程序使用 AOT 代码的同一系统或具有相同配置的系统上执行。
在 AOT 编译和执行期间必须使用相同的 Java 运行时配置。例如，如果应用程序还将并行 GC 与 AOT 代码一起使用，则该jaotc工具应与并行 GC 一起运行（使用标志）。-J不匹配的运行时配置可能会导致应用程序在执行期间崩溃。
可能无法编译使用动态生成的类和字节码（lambda 表达式、动态调用）的 Java 代码。任何未经 AOT 编译的代码都将在运行时执行期间以通常的方式处理：首先在解释器中运行，然后由 JIT 编译器编译。
AOT 不支持自定义类加载器，因为在 AOT 编译期间它没有有关它们的信息。 AOT 编译的方法不会用于非内置加载器加载的类。

这些限制可能会在未来的版本中得到解决。

备择方案

已经讨论了配置文件或编译决策的保存，但这并不能减少实际编译代码所花费的时间。有可能可以改为保存低级 IR 的最新副本，但这似乎并不那么复杂。

测试

将开发新的 AOT jtreg 测试来测试 AOT 功能。

所有现有测试都可以使用支持 AOT 的 JDK 运行。这已经作为单独的夜间测试配置完成。

另一种配置在带有 AOT 编译java.base模块的支持 AOT 的 JDK 上运行所有测试。

风险和假设

使用预编译代码可能会导致使用不太理想的代码，从而导致性能损失。性能测试表明，一些应用程序受益于 AOT 编译的代码，而其他应用程序则明显表现出回归。由于 AOT 功能是一项可选功能，因此用户应用程序可能出现的性能下降是可以避免的。如果用户发现应用程序启动速度更慢，或者没有达到预期的峰值性能，或者崩溃，他们可以使用该-XX:-UseAOT标志关闭 AOT，或者删除任何 AOT 库。

建议 AOT 编译在受信任的环境中进行，其中 JDK 库和工具受到保护以防止篡改。

依赖关系

该项目依赖于JEP 243: Java-Level JVM Compiler Interface，因为 AOT 编译器使用 Graal 作为代码生成后端，而后者又依赖于 JVMCI。

该项目将把Graal 核心合并到 JDK 中，并在 Linux/x64 版本中提供它。

JEP 295：提前编译

概括​

目标​

非目标​

动机​

描述​

AOT使用​

java.base为模块生成和使用 AOT 库的步骤​

新的运行时 AOT 标志​

jaotc：Java 提前编译器​

当前 AOT 限制​

备择方案​

测试​

风险和假设​

依赖关系​

概括

目标

非目标

动机

描述