.Net Discovery 系列之五–深入淺出.NetJust-In-Time 編譯機制(上)

    歡迎閱讀“.Net Discovery 系列”文章，本文將分上、下兩部分為大家講解.Net JIT方面的知識，敬請雅正。

 

    JIT（Just In Time簡稱JIT）是.Net邊運行邊編譯的一種機制，這種機制的命名來源於豐田汽車在20世紀60年代實行的一種生產方式，中文譯為“準時制”。

    .Net 的JIT編譯器在設計初衷和運行方式來上講，都與豐田汽車的這種“準時生產”思想體系有著很大的相似之處，所以讓我們先來透過“準時生產”方式來理解.Net的JIT機制吧。

    “準時生產”的基本思想可概括為“在需要的時候，按需要的量生產所需的產品”，這正是.Net JIT編譯器的設計初衷，即在需要的時候編譯需要的代碼。

 

    第一節．Me JIT

    以C#為例，在C#代碼運行前，一般會經過兩次編譯，第一階段是C#代碼向MSIL的編譯，第二階段是IL向本地代碼的編譯。第一階段的編譯成果是產生託管模組，第二階段的編譯成果是產生本地代碼以供運行，從這裡各位同學可以看出，第一階段產生的MSIL是不能直接啟動並執行。

這裡先要解釋一下什麼是MSIL和託管模組。

    MSIL：

    MSIL 全稱為Microsoft Intermediate Language，中文譯為“微軟中繼語言”，它是一種介於進階語言和組合語言之間的偽組合語言(姑且這麼叫，各位有不同意見的同學不必激動)。當使用者編譯運行一個.NET程式時，進階語言編譯器會將原始碼翻譯成一組可以獨立於CPU的指令。

    可以看出IL 包括用於載入(ldstr )、儲存(壓棧、彈棧)和初始化對象（locals）以及調用對象方法(call)的指令，還包括用於算術和邏輯運算、控制流程、直接記憶體存取、異常處理和其他動作的指令。

    C#代碼：

string str_test = "test";
System.String Str_test = "test";

　　對應IL碼：　　　

 // 代碼大小       14 (0xe)
　　　　  .maxstack  1
　　　　  .locals init ([0] string str_test,
　　　　           [1] string Str_test)
　　　　  IL_0000:  nop
　　　　  IL_0001:  ldstr      "test"
　　　　  IL_0006:  stloc.0
　　　　  IL_0007:  ldstr      "test"
　　　　  IL_000c:  stloc.1
　　　　  IL_000d:  ret

    託管模組：

    託管模組(managed module)是一個標準32位或64位Microsoft  Windows可移植可執行體(PE32或PE32+)檔案，託管模組需要CLR才能執行，它包含了上面介紹的IL代碼，還包含中繼資料、PE頭、CLR頭幾部分。

    中繼資料(metadata)可以理解為一個HashTable，Table中映射了內建類型和成員以及引用的類型和成員，這些類型與成員供IL使用，所以中繼資料總是需要關聯對應的IL代碼，編譯器也是同時產生中繼資料與IL，以保證自描述的同步。

    PE頭(Portable Executable，中文譯為可移植的可執行檔)包括了PE32與PE32+，標示了託管模組的運行環境以及JIT最佳化本地代碼時所要用到的資訊，這在後面會講到。

    CLR頭主要包括方法的入口地址標記，以及資源、強命名等資訊，這些資訊是GAC重要的參數依據。

    可以表示出JIT的介入時機：

 

圖1 JIT工作時機

    JIT是運行時的一個重要職責模組，它將IL轉換為本地CPU指令，從可以看出，也許你不敢相信，即時編譯這個過程是在運行時發生的，這會不會對效能產生影響呢？事實上答案是雖然是肯定的，但這種開銷物有所值：

1. JIT所造成的效能開銷並不顯著。
2. JIT遵循電腦體系理論中兩個經典理論：局部性原理與8020原則。局部性原理指出，程式總是趨向於使用最近使用過的資料和指令，這包括空間的和時間的，將局部性原理引申可以得出，程式總是趨向於使用最近使用過的資料和指令，以及這些正在使用的資料和指令臨近的資料和指令(憑印象寫的，但不曲解原意)；而8020原則指出，系統大多數時間總是花費80%的時間去執行那20%的代碼。   根據這兩個原則，JIT在運行時會即時的向前、後最佳化代碼，這樣的工作只有在運行時才可以做到。
3. JIT只編譯需要的那一段代碼，而不是全部，這樣節約了不必要的記憶體開銷。
4. JIT會根據運行時環境，即時的最佳化IL代碼，即同樣的IL代碼運行在不同CPU上，JIT編譯出的本地代碼是不同的，這些不同代碼面向自己的CPU做出了最佳化。
5. JIT會對代碼的運行情況進行檢測，並對那些特殊的代碼經行重新編譯，在運行過程中不斷最佳化。

    實際上JIT的優點還不止如此，它對內聯、策略引擎(.Net Discovery 系列之四--深入理解.Net垃圾收集機制(下)  中包含對策略引擎的描述)、CLR反饋、代碼回收(非記憶體回收，這在第二節中會有介紹)等方面都會有不可磨滅的貢獻。

    必須指出的是JIT在第一次編譯IL後，會修改對應方法相應的記憶體位址入口(繞口啊~~)，下一次需要執行這個方法時，CLR會直接存取對應的記憶體位址，而不會經過JIT了。

 

   第二節．編譯與執行

    在上一節中我們討論了與JIT相關的一些元素和JIT的優勢，這一節將為大家重點介紹JIT在編譯方面的原理。

    C#等進階語言必須被編譯為IL才可被執行，IL在執行前必須被便以為本地代碼才可運行，這裡有兩種方法可以獲得本地代碼，JIT方式和Native Image Generator方式，本節主要討論JIT方式。

    必須指出的是JIT在第一次編譯IL後，會修改對應方法相應的記憶體位址入口，下一次需要執行這個方法時，CLR會直接存取對應的記憶體位址，而不會經過JIT了，這樣無疑加快了程式啟動並執行速度，這是怎樣的一個過程呢？

    以Load()方法為例，假如Load()方法中調用了兩次同類型中的方法：

 

Void Load()

{

    A.a1("First");

    A.a1("Second");

}
static class A

{

     Public void a1(string str){}

    Public void a2(string str){}

    Public void a3(string str){}

}

 

    運行時，作業系統會根據託管模組中各種頭資訊，裝載相應的運行時架構，Load()被載入，由於是第一次載入，這會觸發對Load()的即時編譯，JIT會檢測Load()中引用的所有類型，並結合中繼資料遍曆這些類型中定義的所有方法實現，並用一個特殊的HashTable(僅用於理解)儲存這些類型方法與其對應的入口地址(在未被JIT前，這個入口地址為一個先行編譯代理(PreJitStub)，這個代理負責觸發JIT編譯)，根據這些地址，就可以找到對應的方法實現。

 

    未完待續

    我是李鳴(Aicken) 請您繼續關注我的下一篇文章。

 

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