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.Net Discovery系列之-深入理解平台机制与性能影响 (中)

作者: Aicken(李鸣)  来源: 博客园  发布时间: 2011-04-24 21:52  阅读: 798 次  推荐: 1   原文链接   [收藏]  
摘要:这一篇中将继续为大家介绍.Net平台的另一批黑马—JIT。

  上一篇文章中Aicken为大家介绍了.Net平台的垃圾回收机制与其对性能的影响,这一篇中将继续为大家介绍.Net平台的另一批黑马—JIT。有关JIT的机制分析

  ● 机制分析以C#为例,在C#代码运行前,一般会经过两次编译,第一阶段是C#代码向MSIL的编译,第二阶段是IL向本地代码的编译。第一阶段的编译成果是生成托管模块,第二阶段的编译成果是生成本地代码以供运行,从这里各位同学可以看出,第一阶段生成的MSIL是不能直接运行的。必须指出的是JIT在第一次编译IL后,会修改对应方法相应的内存地址入口,下一次需要执行这个方法时,CLR会直接访问对应的内存地址,而不会经过JIT了。

  以Load()方法为例,假如Load()方法中调用了两次同类型中的方法:

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){}}

  运行时,操作系统会根据托管模块中各种头信息,装载相应的运行时框架,Load()被加载,由于是第一次加载,这会触发对Load()的即时编译,JIT会检测Load()中引用的所有类型,并结合元数据遍历这些类型中定义的所有方法实现,并用一个特殊的HashTable(仅用于理解)储存这些类型方法与其对应的入口地址(在未被JIT前,这个入口地址为一个预编译代理(PreJitStub),这个代理负责触发JIT编译),根据这些地址,就可以找到对应的方法实现。在初始化时,HashTable中各个方法指向的并不是对应的内存入口地址,而是一个JIT预编译代理,这个函数负责将方法编译为本地代码。注意,这里JIT还没有进行编译,只是建立了方法表!

图2方法表、方法描述、预编译代理关系

  图2中所示的MS核心引擎指的是一个叫做MSCorEE的DLL,即Microsoft .NET Runtime Execution Engine,它是一个桥接DLL,连同mscorwks.dll主要完成以下工作:

  1.查找程序集中包含的对应类型清单,并调用元数据遍历出包含的方法。

  2.结合元数据获得这个方法的IL。

  3.分配内存。

  4.编译IL本地代码,并保存在第3步所分配的内存中。

  5.将类型表(就是指上文中提到的HashTable)中方法地址修改为第3步所分配的内存地址。

  6.跳转至本地代码中执行。所以随着程序的运行时间增加,越来越多的方法的IL被编译为本地代码,JIT的调用次数也会不断减少。下面借助WinDbg来证实以上的说法,加载WinDbg的过程略。以下测试源代码可以从这里下载http://files.cnblogs.com/isline/IsLine.JITTester.rar

namespace JITTester{
public partial class Form1 :
Form{
public Form1()
{
InitializeComponent();
}
private void Form1_Load(object sender, EventArgs e){}
private void GO_Click(object sender, EventArgs e)
{
new A().a1();lb_msg.Text = "调用完毕!";}}
class A{public void a1() { }
public C a2 = new C();}
class B{public void b1() { }
public void b2() { }}
class C{public void c1() { }
public void c2() { }}}

使用name2ee命令遍历所有已加载模块,如下图:

图3 查看类型信息

  回车后注意高亮区域的信息:

图4 JIT前A类型的信息

  高亮区域显示的是,这说明虽然运行和程序,但未点击按钮时,A类型未被JIT,因为它还没有入口地址。这一点体现了即时、按需编译的思想。同样,!name2ee *!JITTester.B和!name2ee *!JITTester.C命令会得到同样的结果。好,现在继续,Detach Debuggee进程,并回到程序中点击GO按钮

图5 点击按钮

  然后重新附加进程,这时程序已经调用了new A().a1()方法,并重新执行令!name2ee *!JITTester.A ,注意高亮部分

图6 JIT后A类型的信息

  和图4中的信息比较,图6中的方法表地址已经变为JIT后的内存地址,这时图2中的Stub槽将被一条强制跳转语句替换,跳转目标与该地址有关。这一点说明JIT在大多情况下,只编译一次代码。同样命令查看B类型:

图7 JIT后B类型的信息

  该类型未被调用,所以还未被JIT。C类型:

图8 JIT后C类型的信息

  由于实例化A类型时和C类型相关,所以C类型已经JIT了。这就是一个类型被JIT的全部过程。

  ● 性能影响分析通过以上的分析,大家已经能够了解,即时编译这个过程是在运行时发生的,这会不会对性能产生影响呢?事实上答案是虽然是肯定的,但这种开销物有所值,并且如上所说的,JIT在第一次编译IL后,会修改对应方法相应的内存地址入口(绕口啊~~),下一次需要执行这个方法时,CLR会直接访问对应的内存地址,而不会经过JIT了。

  1.JIT所造成的性能开销并不显著。

  2.JIT遵循计算机体系理论中两个经典理论:局部性原理与8020原则。局部性原理指出,程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令,这包括空间的和时间的,将局部性原理引申可以得出,程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令,以及这些正在使用的数据和指令临近的数据和指令(凭印象写的,但不曲解原意);而8020原则指出,系统大多数时间总是花费80%的时间去执行那20%的代码。根据这两个原则,JIT在运行时会实时的向前、后优化代码,这样的工作只有在运行时才可以做到。

  3.JIT只编译需要的那一段代码,而不是全部,这样节约了不必要的内存开销。

  4.JIT会根据运行时环境,即时的优化IL代码,即同样的IL代码运行在不同CPU上,JIT编译出的本地代码是不同的,这些不同代码面向自己的CPU做出了优化。

  5.JIT会对代码的运行情况进行检测,并对那些特殊的代码经行重新编译,在运行过程中不断优化。此外你可以利用NGen.exe创建托管程序集的本机映像,运行该程序集时,就会自动使用该本机映像而不是JIT它们。这听起来似乎很美妙,但是你必须做好以下准备:

  1.当FrameWork版本、CPU类型、操作系统版本发生变化时,.Net会恢复JIT机制。

  2.NGen.exe工具并不能避免发布IL,事实上,即使使用NGen.exe工具,CLR依然会使用到元数据和IL。

  3.忽略了局部性原理(上一节中提到的),系统会加载整个映像文件到内存中,并很可能重定位文件,修正内存地址引用。

  4.NGen.exe生成的代码无法在运行时进行优化,无法直接访问静态资源,也无法在应用程序域之间共享程序集。所以,除非你已十分清楚程序性能是由于首次编译造成的性能问题,否则尽量不要人工生成本地代码。

  JIT很优秀,它不但有编译的本事,还会根据内存资源情况换出使用率低的代码,节省资源,这对于一些基于.Net平台的电子产品是很重要的。基于B/S模式运行的系统,如果使用率较高,可以基本忽略JIT带来的性能损失,因为根据局部性原理与8020原则,常用的模块都是编译完毕的,只有那些不常用的模块,在第一次使用时会被编译,并损失用一些时间。

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