关于Ahead-of-Time Compilation的调研与总结
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0 介绍
Ahead-of-Time Compilation，简称AOT编译，是在Java9中提供的一个功能，它能够事先将应用中或JDK中的字节码编译成机器码（提前做了即时编译器的事儿，但与C1、C2编译有很大差别），然后在启动应用时，使用这些编译好的机器码来加快应用启动速度，可以降低应用启动初期由即时编译器导致的CPU使用率飙高。
1 AOT Quick Start
1.1 生成AOT Library
AOT通过jaotc工具编译（在$JAVA_HOME/bin下），可以.class、java module、jar等为单位进行编译，编译结果为一个.so文件。jaotc是通过Graal编译器生成机器码的。
例如，通过下面方式将一个class文件编译成AOTLibrary：
jaotc --output libHelloWorld.so HelloWorld.class通过下面的方式来编译java.base模块：
jaotc --output libjava.base.so --module java.base1.2 使用AOT Library
生成的.so文件使用起来非常方便，可通过以下两种方式使用：
- 将.so文件放到$JAVA_HOME/lib下，JVM启动时会自动加载
- 添加参数-XX:AOTLibrary，指定使用哪个AOTLibrary
第二种方式，可通过如下方式使用：
java -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so,./libjava.base.so HelloWorld2 JVM对AOTLibrary的管理
JVM将编译好的AOTLibrary当做CodeCache的一个扩展。当一个Java class被加载时，JVM会先在AOTLibrary中看看有没有编译好的、与之匹配的method，如果有就直接使用了。
但我们的代码可能是经常变化的，JVM就需要识别这些变化的代码，并不再从AOTLibrary中加载这些类。这个功能是通过class指纹实现的。在jaotc编译AOTLibrary时，会同时生成每个class的指纹，并存储在编译而成的AOTLibrary中。
然后每次尝试从AOTLibrary中加载时，会比较class的指纹，从而实现这个功能。
此外，生成AOTLibrary时，jaotc编译使用的JDK版本和用于Java应用启动的JVM版本必须是一致的。jaotc后，JDK版本会记录在AOTLibrary中，在AOT被JVM加载时会做检查，如果版本不同，会拒绝加载。
jaotc和启动JVM用的运行时参数也必须是一致的，在jaotc中通过-J来指定Java运行时需要的参数，例如：
jaotc -J-XX:+UseParallelGC -J-XX:-UseCompressedOops --output libHelloWorld.so HelloWorld.class
java -XX:+UseParallelGC -XX:-UseCompressedOops -XX:AOTLibrary=./libHelloWorld.so HelloWorld这些启动参数会被记录在生成的AOT文件中，JVM加载AOT文件时会校验参数是否一致，如果不一致则不会加载这个AOT库，此时，如果-XX:+UseAOTStrictLoading参数开启了，JVM进程会直接退出。
最后提一下，jaotc并没有解决class依赖的问题，这些被依赖的类必须被添加到classpath中，否则在编译AOT的过程中会抛出一个ClassNotFoundException异常。
3 AOT的编译模式
AOT有两种编译模式，通过--compile-for-tiered标记控制。添加这个标记的话，意味着使用分层编译方式来生成AOTLibrary，否则使用普通方式编译。
- 在没有开启的情况下，代码会被静态编译成机器码，这个编译过程是没有profile收集的，并且他不会被JIT重新编译。
- 开启的情况下，会收集程序运行的profiling信息。其效果等同于C1编译器在Tier2层的profiling编译效果，如果代码在运行的过程中达到C1的Tier3层编译的阈值，会触发C1的重新编译，用来收集所有的profiling信息，这些信息将用于C2编译器的编译优化。
可以看出，AOT编译即使在开启分层编译模式的情况下，也只是能替代部分C1的编译工作，他无法顶替C2，最终还是要经过C2重新编译的。
所以，对于因为C2导致应用启动CPU飙高的应用来说，使用AOT的方式并不会提升应用启动的性能。
4 案例：生成并使用java.base模块的AOTLibrary
因为java.base中的method量过大（大概50000+个），所以在用jaotc生成时，要给足够的内存，通过下面方式生成：
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--compile-commands标记指定的文件可用于指定只编译哪些、或排除编译哪些方法。由于java.base模块中的一些方法会导致编译失败，所以通过java.base-list.txt文件将之排除，这个文件内容如下：
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AOTLibrary之后，通过下面方式加载并使用AOTLibrary：
java -XX:AOTLibrary=./libjava.base-coop.so,./libHelloWorld.so HelloWorldPS1：由于Java9之后会默认使用G1收集器，并且默认开启UseCompressedOops，所以启动时可以不用指定。
PS2：除了在启动时通过参数-XX:AOTLibrary指定加载的AOTLibrary之外，也可以将生成的.so文件放到$JAVA_HOME/lib下，JVM启动时会自动扫描加载。
5 Java中AOT相关的一些options
- -XX:+/-UseAOT
使用AOT编译的文件，默认开启。
- -XX:AOTLibrary=<file>
指定AOT文件，多个文件之间用英文半角逗号分隔(,)。
- -XX:+/-PrintAOT
在标准输出日志打印使用到的AOTLibrary中的class和method。
下面是一些具备诊断功能的flag，使用时需要优先开启-XX:+UnlockDiagnosticVMOptions
- -XX:+/-UseAOTStrictLoading
启动时，如果没有任何一个AOTLibrary与当前的JVM环境匹配上，则JVM进程直接退出。
这个可用于判定是否成功加载并使用了AOTLibrary编译的class或method。
此外，下面的一些参数可通过日志的形式打印AOT的使用情况，需要配合-Xlog参数
- aotclassfingerprint
当class指纹不匹配时，打印日志。
- aotclassload
当可用的class在AOTLibrary中找到时，打印日志。
- aotclassresolve
当解析AOT中的class成功或失败时，打印日志。
6 jaotc的usage
使用格式如下：
jaotc <options> <name or list>name表示的是class name或jar文件，list可以是class、modules、jar或包含class文件的目录。
另外，options可以有如下选项：
- --output <file>
输出的文件名，默认名称是"unnamed.so"。
- --class-name <class names>
待编译的java classes列表。
- --jar <jar files>
待编译的jar files列表。
- --module <modules>
待编译的java modules列表。
- --directory <dirs>
指定搜索目录，会从指定目录搜索待编译的文件。
- --search-path <dirs>
搜索指定目录下的文件。
- --compile-commands <file>
指定包含编译指令的文件，加载AOT时会执行这些指令进行文件过滤（exclude or compileOnly），用法如下：
exclude sun.util.resources..*.TimeZoneNames_.*.getContents\(\)\[\[Ljava/lang/Object;
exclude sun.security.ssl.*
compileOnly java.lang.String.*exclude用于排除指定的方法，被排除掉的不会被编译。
compileOnly用于指定只编译哪些方法。
- --compile-for-tiered
为分层编译生成带有profiling的代码，默认不生成。
- --compile-with-assertions
用Java断言生成代码，默认不开启。
- --compile-threads <number>
用于编译的线程数量，默认值：min(16, available_cpus)
- --ignore-errors
忽略所有class加载时抛出的异常，默认情况下，如果编译过程中抛出异常，会直接退出编译。
- --exit-on-error
编译发生error时，退出编译。默认情况下，会跳过编译失败的method，其他的method编译仍会继续。
- --info
打印编译时的信息。
- --verbose
打印更全的编译时信息，在--info开启的情况下有效。
- --debug
打印所有细节编译时的信息，在--info和--verbose同时开启的情况下有效。
- --help
打印jaotc的usage信息。
- --version
打印版本信息。
- -J<flag>
指定JVM运行时参数。
7 使用AOT的一些限制
- AOT最初在JDK9作为一个实验性的功能出现，并且只能运行在Linux x64系统、64位JVM环境、Parallel或G1环境下。
- AOT编译时和使用时必须使用相同的JVM参数。
- AOT的编译和使用必须在同一个系统环境下。
- 无法编译动态生成的java code，例如lambda表达式。
- AOT不支持使用用户自定义类加载器加载的class，因为在编译阶段无法知晓最终运行是会使用哪个类加载器加载这个class。
8 实验
# 使用AOT编译java.base模块
/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk-11.0.3.jdk/Contents/Home/bin/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.base8.1 第一次
- JDK11不带任何参数正常启动
- 启动接口性能：
8.2 第二次
- 使用jaotc编译AOTLibrary（带分层编译），只编译java.base：
jaotc --output libjava.base.tiered.so --compile-for-tiered --module java.base- 使用AOT启动
-XX:AOTLibrary=/data/coohua/logs/libjava.base.tiered.so- 启动性能
- CPU
主要在C2编译器上。
- 与没有AOT的性能对比
看上去好了一些。
8.3 生成JFR，通过JMC进一步分析
通过下面的方式生成JFR信息，这条指令的意思是：在应用启动20秒后开始收集JFR，收集120秒。
-XX:StartFlightRecording=delay=20s,duration=120s,name=myrecording,filename=./record.jfr,settings=profilePS: 关于JFR和JMC，可参考：Java Flight Recorder初探
分下面三种情况对比，主要对比C2的编译情况：
- 没有AOT的JFR（收集1分钟）
- 没有分层编译AOT的JFR（收集2分钟）
- 分层编译AOT的JFR（收集2分钟）
8.3.1 没有AOT的JFR
- C2线程CPU时间片的消耗
右侧黄色部分表示C2的CPU消耗。
- 方法编译耗时
8.3.2 没有分层编译AOT的JFR
- C2线程CPU时间片的消耗
- 方法编译耗时
由于没有AOT的JFR收集了1分钟，所以这里的时间跨度是上面的两倍。等比缩小后，可以发现两次在CPU时间片消耗上差不多，但这一次收集时间更长，出现了多个编译时间较长的方法。
8.3.3 分层编译AOT的JFR
- C2线程CPU时间片的消耗
- 方法编译耗时
可看出跟没有分层编译是，没有明显差别。这也验证了AOT并不能优化C2的编译时间。
8.4 结论
由于我们应用启动时消耗CPU时间片最多的是C2编译器，对于AOT来说，正如上文描述的那样，他并不能降低C2的消耗，所以AOT无法解决我们这类场景的问题。
思考：
其实可以根据AOT编译的原理想一下他适用的场景。AOT是一个静态编译过程，他是离线的，非运行时编译，所以无法收集足够有效的profiling信息，所以他编译的结果肯定无法与C2相媲美。
同时官文中也说了，他可以大概等同于C1的Tier2编译的效果，在这一层上，会收集较少的profiling信息，然后AOT就直接将字节码编译成机器码。根据这个特点，他应该可以用于短时运行应用的启动性能优化。对于长期跑到服务器，他应该是无能为力的。
