深入解析JIT編譯

你知道JIT這個技術術語嗎？JIT的全稱是Just-In-Time，即時的意思。JIT編譯器是執行JIT編譯的工具，它是.NET應用程序的一個重要特性，今天我們來深入分析一下。

如何讓託管應用程序可移植？

我們知道.NET Framework和CLR(通用語言運行庫)為針對該平台的應用程序提供了很多有用的功能，比如自動內存管理。不過，提出託管運行時的一個主要目的就是實現應用的可移植。

那麼應用程序是可移植的意味著什麼呢？這意味著，首先，它可以在任何類型的硬體上運行。理想情況下，它也應該與軟體無關（特別是與操作系統無關），例如微軟創建的ans正在積極開發一個多平台的 .NET Core。

這種可移植性不僅使應用程序可以在任何硬體或軟體平台上啟動，而且還使開發人員不必關心底層的低級結構。例如，當使用TPL(任務並行庫)時，程序員通常不需要考慮底層硬體（例如CPU的數量或體系結構）來修改代碼。對於內存分配來說，它們是相同的，其中許多CTM（低級語言編程介面）細節根據操作系統的體系結構（32/64位）而有所不同，CLR對其進行處理。

但是，在某些時候，每個應用程序都需要由處理器執行，這需要有機器碼，這樣彙編指令才能理解並且能夠由CPU執行。根據操作系統或CPU的體系架構，有時需要在彙編代碼中使用完全不同的CPU指令集。為了使源代碼真正可移植，不能直接編譯為機器代碼，我們還需要使用中間語言。

中間語言（IL）

由於上述原因，託管運行時的編程語言源代碼（如C＃，F＃或Java）不會直接編譯為彙編語言。而是，它首先被編譯為中間語言（IL）。CLR的中間語言也稱為MSIL（Microsoft中間語言）。

將源代碼編譯為IL中是由特定的語言編譯器執行的。這個過程是當你在Visual Studio構建應用時按F6或使用csc.exe進行編譯時發生的。

源代碼到IL的編譯，由特定語言的編譯器完成。例如，C＃中由Roslyn編譯，Roslyn是一個C＃編譯器，如圖：

查看MSIL

為了查看已編譯的EXE / DLL文件中包含的MSIL代碼，你可以使用ILSpy Visual Studio擴展，安裝這個擴展時，會在Visual Studio中添加一個菜單選項（tools - > ILSpy），你可以打開任何已編譯的文件並查看包含對象的IL代碼，如圖：

實際上有哪些東西編譯成IL代碼呢？現在我們可以說，最重要東西就是methods（當然分為類，命名空間等）。還有許多其他的東西被編譯（肯定比你預想的要多，通過查看源碼你就知道了），但我們現在將重點關注methods。

好的，我們現在有了IL代碼，但是CPU還是無法理解它。它是如何以及何時編譯為彙編代碼的？

JIT編譯(即時編譯)

豐田如何引入JIT？

我們先從一些歷史背景開始說起。在20世紀60年代早期，由於倉儲成本非常高，豐田的日本工程師不得不重新組織倉庫管理。而且由於他們提前訂購了大量零件，所以供應商交付也需要很長時間。每次交付都必須由人工去處理，因此他們需要很多員工。但是訂購的零件會長期存放在倉庫中，需要大量存儲空間和並進行維護。

為了最大限度的降低成本，他們開創了即時製造（也稱為豐田生產系統）。其主要原則是僅在倉庫庫存達到最低水平時才從供應商處訂購貨物。這樣一來，貨物是在生產線上正好需要它們的時間裡交付的。它最大限度的減少了交付人員（和倉庫員工）的數量，同時，也不像以前那樣需要那麼多的存儲空間。

整個想法可以想像為以下流程順序圖：

JIT編譯器

在豐田取得成功之後，CLR創建者在框架中引入了即時(JIT)編譯器。它的作用是根據硬體和操作系統的特性(取決於對代碼進行JIT編譯的主機)將中間語言代碼編譯成彙編語言。與非託管語言不同，非託管語言在程序執行之前將源代碼編譯為機器語言，而IL默認情況下在運行時編譯為CPU指令。這就是.NET工程師按時向CPU提供機器碼的原理。

JIT編譯器是CLR的一部分（類似於垃圾收集器）。簡單來說，當某方法首次被調用時，JIT會編譯該方法的源碼。當然，它也會考慮到硬體，例如CPU類型及指令集來生成正確的彙編代碼。然後，這個機器碼就會保存在緩存中，並且在相同的應用程序運行，調用相同的方法時重新使用。這意味著在程序執行期間未調用的部分代碼可能根本沒有進行JIT編譯。

JIT編譯實際上是兩種方法的結合：提前編譯和解釋，混合了兩者的優點和缺點。但是，在運行時將IL代碼編譯為彙編語言時有幾個特色功能，如動態類型（在程序執行時能夠獲取實際對象的類型）。這也是為什麼JIT編譯通常被視為動態編譯的一種形式。

使用JIT編譯的另一個優點是我們編寫的源代碼離硬體更遠，因此代碼可以編寫的更具可讀性和人性化，而與硬體交互的東西隱藏在IL中（不得不說，MSIL開發者確實厲害）

JIT編譯也會有一些成本，在運行時編譯代碼需要時間。另一方面，不同的CPU單元具有不同的強大指令集或處理單元，這些指令集或處理單元會在由JIT生成的彙編代碼中使用，而在提前編譯中，則不是這種情況（沒有任何特殊調整的情況下）。

我們還需要提前編譯嗎？

如果你真的不喜歡JIT編譯（怎麼會不喜歡？），有很多方法可以在應用程序執行之前預先編譯你的EXE / DLL。這稱為Pre-JIT編譯。其中一個原因可能是許多用戶將從相同的EXE / DLL文件運行我們的應用程序，JIT編譯器通常會為每個用戶對IL進行JIT編譯。在這種情況下，出於性能和內存使用原因，使用預先JIT編譯應用程序文件可能會更合適。可以使用NGen（適用於所有.NET版本）或.NET Native（適用於Windows 10的.NET應用程序）來完成。我們本文不會詳細講解這些工具（你可以在互聯網上找到更多信息）。

總結

JIT編譯是在運行時將中間語言（IL）編譯為原生（機器）代碼的過程。它提供了託管應用程序的可移植性。這是一個非常重要的概念，因為它已經在許多當前使用的編程框架中引入，如Java，.NET和Android。

最後，請記住：

華盛頓曾經說過，不要相信互聯網上的一切！

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