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Graal VM：云原生时代的Java

Graal VM

引言
网上每隔一段时间就能见到几条“未来X语言将会取代JAVA”的新闻，此处“X”可以用Kotlin、Golang、Dart、JavaScript、Python……等各种编程语言来代入 。这大概就是长期占据编程语言榜单第一位的烦恼，天下第一总避免不了挑战者相伴 。
如果Java有拟人化的思维，它应该从来没有惧怕过被哪一门语言所取代，Java“天下第一”的底气不在于语法多么先进好用，而是来自它庞大的用户群和极其成熟的软件生态，这在朝夕之间难以撼动 。不过，既然有那么多新、旧编程语言的兴起躁动，说明必然有其需求动力所在，譬如互联网之于JavaScript、人工智能之于Python，微服务风潮之于Golang等等 。大家都清楚不太可能有哪门语言能在每一个领域都尽占优势，Java已是距离这个目标最接近的选项，但若“天下第一”还要百尺竿头更进一步的话，似乎就只能忘掉Java语言本身，踏入无招胜有招的境界 。
Graal VM的诞生
2018年4月，Oracle Labs新公开了一项黑科技：Graal VM，从它的口号“Run Programs Faster Anywhere”就能感觉到一颗蓬勃的野心，这句话显然是与1995年Java刚诞生时的“Write Once，Run Anywhere”在遥相呼应 。

Graal VM：云原生时代的Java

文章插图
Graal VM
Graal VM被官方称为“Universal VM”和“Polyglot VM”，这是一个在HotSpot虚拟机基础上增强而成的跨语言全栈虚拟机，可以作为“任何语言”的运行平台使用，这里“任何语言”包括了Java、Scala、Groovy、Kotlin等基于Java虚拟机之上的语言，还包括了C、C++、Rust等基于LLVM的语言，同时支持其他像JavaScript、Ruby、Python和R语言等等 。Graal VM可以无额外开销地混合使用这些编程语言，支持不同语言中混用对方的接口和对象，也能够支持这些语言使用已经编写好的本地库文件 。
Graal VM的基本工作原理是将这些语言的源代码（例如JavaScript）或源代码编译后的中间格式（例如LLVM字节码）通过解释器转换为能被Graal VM接受的中间表示（Intermediate Representation，IR），譬如设计一个解释器专门对LLVM输出的字节码进行转换来支持C和C++语言，这个过程称为“程序特化”（Specialized，也常称为Partial Evaluation） 。Graal VM提供了Truffle工具集来快速构建面向一种新语言的解释器，并用它构建了一个称为Sulong的高性能LLVM字节码解释器 。
以更严格的角度来看，Graal VM才是真正意义上与物理计算机相对应的高级语言虚拟机，理由是它与物理硬件的指令集一样，做到了只与机器特性相关而不与某种高级语言特性相关 。Oracle Labs的研究总监Thomas Wuerthinger在接受InfoQ采访时谈到：“随着Graal VM 1.0的发布，我们已经证明了拥有高性能的多语言虚拟机是可能的，并且实现这个目标的最佳方式不是通过类似Java虚拟机和微软CLR那样带有语言特性的字节码” 。对于一些本来就不以速度见长的语言运行环境，由于Graal VM本身能够对输入的中间表示进行自动优化，在运行时还能进行即时编译优化，往往使用Graal VM实现能够获得比原生编译器更优秀的执行效率，譬如Graal.js要优于Node.js、Graal.Python要优于CPtyhon，TruffleRuby要优于Ruby MRI，FastR要优于R语言等等 。
针对Java而言，Graal VM本来就是在HotSpot基础上诞生的，天生就可作为一套完整的符合Java SE 8标准Java虚拟机来使用 。它和标准的HotSpot差异主要在即时编译器上，其执行效率、编译质量目前与标准版的HotSpot相比也是互有胜负 。但现在Oracle Labs和美国大学里面的研究院所做的最新即时编译技术的研究全部都迁移至基于Graal VM之上进行了，其发展潜力令人期待 。如果Java语言或者HotSpot虚拟机真的有被取代的一天，那从现在看来Graal VM是希望最大的一个候选项，这场革命很可能会在Java使用者没有明显感觉的情况下悄然而来，Java世界所有的软件生态都没有发生丝毫变化，但天下第一的位置已经悄然更迭 。
新一代即时编译器
对需要长时间运行的应用来说，由于经过充分预热，热点代码会被HotSpot的探测机制准确定位捕获，并将其编译为物理硬件可直接执行的机器码，在这类应用中Java的运行效率很大程度上是取决于即时编译器所输出的代码质量 。
HotSpot虚拟机中包含有两个即时编译器，分别是编译时间较短但输出代码优化程度较低的客户端编译器（简称为C1）以及编译耗时长但输出代码优化质量也更高的服务端编译器（简称为C2），通常它们会在分层编译机制下与解释器互相配合来共同构成HotSpot虚拟机的执行子系统的 。


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