在前面的章節中，我們介紹了GraalVM的核心概念，但遺漏了關於Java虛擬機（JVM）架構實作的部分。因此，今天特別補充這個章節，來更好地幫助讀者理解JVM的運行方式。

我們已經介紹了Java虛擬機（JVM）的概念框架。在實際的開發和運行中，JVM的具體實作會根據不同的實施方式而有所差異。目前，最廣泛使用的JVM實作之一是 Oracle 的 HotSpot JVM。它是自1999年以來Oracle和前身Sun Microsystems的主要JVM實作，針對執行性能進行了多年的優化。

HotSpot JVM有兩個主要的執行模式：解釋執行（Interpretation）和即時編譯（Just-In-Time Compilation, JIT）。在解釋執行模式下，字節碼逐行被解釋執行，這種方式相對較慢。當程式碼運行多次時，JIT編譯器將會動態地將字節碼編譯為本地機器碼，大大提高了性能。此外，HotSpot還引入了記憶體管理和垃圾回收的優化策略，如G1、Parallel GC和ZGC等，使其在處理大型應用時具備良好的性能表現。

不同於HotSpot的還有其他JVM實作，如OpenJ9、Zulu等。更多JVM實作的完整清單可以參考Java 虛擬機清單。

HotSpot JVM

HotSpot JVM 是 Java 虛擬機家族中最受歡迎的版本之一，由 Oracle 公司開發，並作為標準的 JVM 隨 Java Development Kit（JDK）一同分發。它的廣泛使用源於性能、可擴展性和兼容性各方面的優勢。

HotSpot架構

HotSpot JVM 的架構如下圖

架構整體上大致與上一章節介紹的框架概念圖相同，但在實作上，我們通常會聚焦於 Execution Engine（執行引擎） 的部分。其中一個非常重要的組件是 JIT Compiler（即時編譯器）。JIT 編譯器的作用是當程式運行時，將需要執行的 Java 字節碼動態編譯成機器碼，從而讓處理器能夠直接讀取並執行這些編譯後的機器碼。

主要組件介紹

• Class Loader (類加載器)：負責將 .class 文件（編譯後的 Java 類）加載到 JVM 的記憶體中，以便執行。
• Execution Engine (執行引擎)：JVM 的核心部分，負責解釋或編譯 Java 字節碼並將其轉換成機器碼執行。這部分包含了 JIT 編譯器、垃圾回收器等。
• Garbage Collector (垃圾回收器)：自動管理記憶體，回收不再被使用的物件，避免記憶體洩漏。
• Runtime Data Areas (運行時數據區域)：
  • Heap (堆區)：用來存儲所有 Java 物件和數組。
  • Method Area (方法區)：儲存類別的中繼資料、常數、方法程式碼等。
  • Stack ：每個 Java 執行緒有自己獨立的Stack，存儲局部變量、方法調用等數據。

主要特點

• 即時編譯 (JIT)：HotSpot JVM 的核心之一是其 JIT 編譯技術。JIT 允許 JVM 在程式運行時動態地將常用的 Java 字節碼編譯為本地機器碼，從而提升執行效率。JIT 編譯器基於「熱點」分析，會優先對那些被頻繁執行的程式碼進行編譯和優化。
• 垃圾回收 (GC)：HotSpot 擁有多種垃圾回收策略，可以根據應用程序的需求選擇合適的垃圾回收器。例如：
  • Serial GC：適用於單執行緒的應用，適合小型應用或嵌入式系統。
  • Parallel GC：能夠在多核處理器上同時回收多個區域的記憶體，適合伺服器端應用。
  • G1 GC (Garbage-First)：一種更加現代的垃圾回收器，設計用於高併發、低延遲的應用場景。
• 記憶體管理：提供了靈活的記憶體管理，將 JVM 的運行時數據劃分為多個區域（如堆區、方法區、程式計數器等），每個區域都有特定的用途，幫助 JVM 在處理不同類型數據時更加高效。
• 多層次編譯架構：採用了 C1（Client Compiler）和 C2（Server Compiler）兩種 JIT 編譯器。C1 編譯器針對快速啟動和低延遲進行優化，而 C2 編譯器則針對長時間運行的程式碼進行深度優化，適合伺服器應用。
• 性能分析與調優：整合各種性能分析工具，如 JVM Profiling、JFR (Java Flight Recorder)、JIT 日誌等，幫助開發者深入了解應用程式在 JVM 上的運行狀態，並根據分析結果進行性能調優。

JIT 編譯器的特點是能夠在程式運行時，動態判斷哪些程式碼被頻繁執行，並針對這些「熱點」程式碼進行編譯和優化。這與 GraalVM 所採用的 AOT（Ahead-of-Time 編譯）技術不同，後者是在應用程式運行之前，將所有程式碼預先編譯成機器碼。關於這部分的詳細內容，請看前述章節GraalVM介紹。

JIT Complier

HotSpot 的名稱源於其「熱點」檢測和優化技術。JVM 在運行時會監控程式，找出那些被頻繁執行的程式碼（即熱點程式碼）

JIT 編譯器的組成

JIT 編譯器由兩個主要部分組成，分別是 C1 (Client Compiler) 和 C2 (Server Compiler)，它們針對不同的應用場景進行編譯和優化。其架構圖如下

C1 (Client Compiler)

C1 編譯器是一個 初級編譯器，在應用程式剛啟動、程式碼首次被執行時，C1 會迅速地將字節碼編譯成機器碼，以便應用能夠立即運行。C1 的主要目的是提供 快速啟動 和 低延遲，使應用能夠迅速響應用戶的請求。

• 目標：快速啟動、低延遲
• 特點：
  • C1 編譯器的編譯速度非常快，但相對於 C2 編譯器來說，生成的機器碼優化程度不如 C2 高。
  • 適合需要快速啟動且對長時間運行優化要求不高的應用，例如桌面應用或某些短期任務的執行。

C1 的設計是為了在啟動階段提供快速的編譯體驗，這樣應用程式能夠快速運行，且程式碼可以在短時間內被多次執行。隨著程式運行時間增長，JVM 會將重點轉向 C2 編譯器來進行深度優化。

C2 (Server Compiler)

C2 編譯器是 高級編譯器，主要負責對**「熱點」**程式碼進行深入的優化。當 JVM 檢測到某段程式碼被頻繁運行（即識別為熱點程式碼）後，會將這段程式碼交給 C2 編譯器，C2 編譯器會針對這些「熱點」進行更深層次的編譯和優化，生成運行速度更快、性能更高的機器碼。

• 目標：提供最高的執行速度，對重點程式碼進行深度優化
• 特點：
  • C2 編譯器會花費更多時間進行編譯和優化，但生成的機器碼非常高效，能顯著提升熱點程式碼的運行性能。
  • 適合長時間運行且對性能有嚴格要求的應用，例如後端服務、伺服器應用或高並發系統。

由於 C2 編譯器會對「熱點」進行大量的優化，因此它適合用於那些需要持續運行的伺服器端應用程式，這類應用的關鍵程式碼片段可能會被執行數百萬次。透過 C2 的深入優化，能夠顯著減少 CPU 的佔用時間，從而提高整體性能。

JIT 編譯工作流程

Step1 : 啟動階段：當應用啟動時，JVM 首先會使用解釋器逐行解釋字節碼執行，並且啟用 C1 編譯器 來快速編譯那些最初被執行的程式碼，保證程式快速啟動並能夠迅速運行。

Step2 : 熱點檢測：隨著應用的運行，JVM 會檢測哪些程式碼被頻繁執行。這些頻繁執行的程式碼會被標記為「熱點」。

Step3 : 深入優化：一旦某些程式碼被標記為熱點，JVM 會將它們交給 C2 編譯器 進行更高級的優化。C2 編譯器會生成高度優化的機器碼，使得這些程式碼在後續執行中達到最高的運行效率。

總結來說，HotSpot JVM 透過「熱點」檢測和即時編譯（JIT）技術，在提供高效執行性能的同時，保證了 Java 應用的穩定性和擴展性。然而，隨著現代應用程式對啟動速度、資源消耗和多語言支持的需求增加，JVM 的傳統優化方式也面臨挑戰。為了應對這些需求， GraalVM 應運而生。

在下一章節，我們將深入探討 GraalVM 的特性與優勢。這種基於 AOT（Ahead-of-Time）編譯 的虛擬機如何進一步優化 Java 應用的啟動速度，同時提供多語言支持和更靈活的編譯策略，將成為我們下一步的重點分析。
(已在章節補上GraalVM相關介紹)