深入解析JIT编译

你知道JIT这个技术术语吗？JIT的全称是Just-In-Time，即时的意思。JIT编译器是执行JIT编译的工具，它是.NET应用程序的一个重要特性，今天我们来深入分析一下。

如何让托管应用程序可移植？

我们知道.NET Framework和CLR(通用语言运行库)为针对该平台的应用程序提供了很多有用的功能，比如自动内存管理。不过，提出托管运行时的一个主要目的就是实现应用的可移植。

那么应用程序是可移植的意味着什么呢？这意味着，首先，它可以在任何类型的硬件上运行。理想情况下，它也应该与软件无关（特别是与操作系统无关），例如微软创建的ans正在积极开发一个多平台的  .NET Core。

这种可移植性不仅使应用程序可以在任何硬件或软件平台上启动，而且还使开发人员不必关心底层的低级结构。例如，当使用TPL(任务并行库)时，程序员通常不需要考虑底层硬件（例如CPU的数量或体系结构）来修改代码。对于内存分配来说，它们是相同的，其中许多CTM（低级语言编程接口）细节根据操作系统的体系结构（32/64位）而有所不同，CLR对其进行处理。

但是，在某些时候，每个应用程序都需要由处理器执行，这需要有机器码，这样汇编指令才能理解并且能够由CPU执行。根据操作系统或CPU的体系架构，有时需要在汇编代码中使用完全不同的CPU指令集。为了使源代码真正可移植，不能直接编译为机器代码，我们还需要使用中间语言。

中间语言（IL）

由于上述原因，托管运行时的编程语言源代码（如C＃，F＃或Java）不会直接编译为汇编语言。而是，它首先被编译为中间语言（IL）。CLR的中间语言也称为MSIL（Microsoft中间语言）。

将源代码编译为IL中是由特定的语言编译器执行的。这个过程是当你在Visual Studio构建应用时按F6或使用csc.exe进行编译时发生的。

源代码到IL的编译，由特定语言的编译器完成。例如，C＃中由Roslyn编译，Roslyn是一个C＃编译器，如图：

查看MSIL

为了查看已编译的EXE / DLL文件中包含的MSIL代码，你可以使用 ILSpy Visual Studio扩展 ，安装这个扩展时，会在Visual Studio中添加一个菜单选项（tools – > ILSpy），你可以打开任何已编译的文件并查看包含对象的IL代码，如图：

实际上有哪些东西编译成IL代码呢？现在我们可以说，最重要东西就是methods（当然分为类，命名空间等）。还有许多其他的东西被编译（肯定比你预想的要多，通过查看源码你就知道了），但我们现在将重点关注methods。

好的，我们现在有了IL代码，但是CPU还是无法理解它。它是如何以及何时编译为汇编代码的？

JIT编译(即时编译)

丰田如何引入JIT？

我们先从一些历史背景开始说起。在20世纪60年代早期，由于仓储成本非常高，丰田的日本工程师不得不重新组织仓库管理。而且由于他们提前订购了大量零件，所以供应商交付也需要很长时间。每次交付都必须由人工去处理，因此他们需要很多员工。但是订购的零件会长期存放在仓库中，需要大量存储空间和并进行维护。

为了最大限度的降低成本，他们开创了即时制造（也称为丰田生产系统）。其主要原则是仅在仓库库存达到最低水平时才从供应商处订购货物。这样一来，货物是在生产线上正好需要它们的时间里交付的。它最大限度的减少了交付人员（和仓库员工）的数量，同时，也不像以前那样需要那么多的存储空间。

整个想法可以想象为以下流程顺序图：

JIT编译器

在丰田取得成功之后，CLR创建者在框架中引入了即时(JIT)编译器。它的作用是根据硬件和操作系统的特性(取决于对代码进行JIT编译的主机)将中间语言代码编译成汇编语言。与非托管语言不同，非托管语言在程序执行之前将源代码编译为机器语言，而IL默认情况下在运行时编译为CPU指令。这就是.NET工程师按时向CPU提供机器码的原理。

JIT编译器是CLR的一部分（类似于垃圾收集器）。简单来说，当某方法首次被调用时，JIT会编译该方法的源码。当然，它也会考虑到硬件，例如CPU类型及指令集来生成正确的汇编代码。然后，这个机器码就会保存在缓存中，并且在相同的应用程序运行，调用相同的方法时重新使用。这意味着在程序执行期间未调用的部分代码可能根本没有进行JIT编译。

JIT编译实际上是两种方法的结合：提前编译和解释，混合了两者的优点和缺点。但是，在运行时将IL代码编译为汇编语言时有几个特色功能，如动态类型（在程序执行时能够获取实际对象的类型）。这也是为什么JIT编译通常被视为动态编译的一种形式。

使用JIT编译的另一个优点是我们编写的源代码离硬件更远，因此代码可以编写的更具可读性和人性化，而与硬件交互的东西隐藏在IL中（不得不说，MSIL开发者确实厉害）

JIT编译也会有一些成本，在运行时编译代码需要时间。另一方面，不同的CPU单元具有不同的强大指令集或处理单元，这些指令集或处理单元会在由JIT生成的汇编代码中使用，而在提前编译中，则不是这种情况（没有任何特殊调整的情况下）。

我们还需要提前编译吗？

如果你真的不喜欢JIT编译（怎么会不喜欢？），有很多方法可以在应用程序执行之前预先编译你的EXE / DLL。这称为Pre-JIT编译。其中一个原因可能是许多用户将从相同的EXE / DLL文件运行我们的应用程序，JIT编译器通常会为每个用户对IL进行JIT编译。在这种情况下，出于性能和内存使用原因，使用预先JIT编译应用程序文件可能会更合适。可以使用NGen（适用于所有.NET版本）或.NET Native（适用于Windows 10的.NET应用程序）来完成。我们本文不会详细讲解这些工具（你可以在互联网上找到更多信息）。

总结

JIT编译是在运行时将中间语言（IL）编译为原生（机器）代码的过程。它提供了托管应用程序的可移植性。这是一个非常重要的概念，因为它已经在许多当前使用的编程框架中引入，如Java，.NET和Android。

最后，请记住：

华盛顿曾经说过，不要相信互联网上的一切！