定義

Java虛擬機(jī)字節(jié)碼執(zhí)行引擎是jvm最核心的組成部分之一，它做的事情很簡單：輸入的是字節(jié)碼文件，處理過程是字節(jié)碼解析的等效過程，輸出的是執(zhí)行結(jié)果。在不同的虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)里，執(zhí)行引擎在執(zhí)行java代碼的時候可能會有解釋執(zhí)行和編譯執(zhí)行兩種選擇，也可能兩者兼?zhèn)洹?/p>

運(yùn)行時棧幀結(jié)構(gòu)

java字節(jié)碼執(zhí)行引擎在調(diào)用和執(zhí)行方法的時候使用了一種叫做棧幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

在jvm的內(nèi)存結(jié)構(gòu)里，存在這一塊稱為虛擬機(jī)棧的內(nèi)存區(qū)域，虛擬機(jī)棧中的元素就是棧幀。每個方法的調(diào)用至結(jié)束對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機(jī)棧的入棧和出棧。

棧幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖：

如圖所示，因?yàn)樘摂M機(jī)棧是線程私有的，所以每個線程都有自己的虛擬機(jī)棧；而每個線程的虛擬機(jī)棧中都有多個棧幀對應(yīng)一個方法調(diào)用鏈中的多個方法，棧頂?shù)臈钱?dāng)前正在執(zhí)行的方法；每個棧幀主要包含4個部分：

局部變量表

操作數(shù)棧

動態(tài)連接

方法返回地址

在編譯代碼的階段，棧幀中需要多大的局部變量表，多深的操作數(shù)棧都是已經(jīng)完全確定的，而且會寫入到方法表的Code屬性中。

接下來一次介紹棧幀中的4個部分：

局部變量表

局部變量表是一組變量值存儲空間，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)局部變量。

局部變量表的容量以變量槽Slot為最小單位，規(guī)定一個Slot可以存放一個32位以內(nèi)的數(shù)據(jù)類型，java中占32位以內(nèi)的數(shù)據(jù)類型有8種基本數(shù)據(jù)除了long和double以外的6種，還有reference和returnAddress，共8種類型。而對于64位的數(shù)據(jù)類型，即long和double，則會以高位對齊的方式為其分配兩個連續(xù)的Slot空間。

在方法執(zhí)行時，方法的參數(shù)列表是通過局部變量表傳遞的，如果執(zhí)行的是實(shí)例方法(非static方法)，則局部變量表中的第0位索引的Slot默認(rèn)保存方法所屬對象的引用，以支持“this”關(guān)鍵字來訪問對象數(shù)據(jù)。其余參數(shù)則按參數(shù)列表順序，占用從1開始的局部變量Slot，參數(shù)表分配完成后，在根據(jù)方法體內(nèi)局部變量定義的順序和作用域?yàn)榫植孔兞糠峙淦溆郤lot。之所以這里要強(qiáng)調(diào)作用域是因?yàn)闉榱斯?jié)省棧幀空間，局部變量表中的Slot是可以重用的，當(dāng)一個Slot中保存的局部變量超出其作用域后，這個Slot可以被復(fù)用來存儲新的變量。

操作數(shù)棧

操作數(shù)棧是用來執(zhí)行字節(jié)碼命令的，比如iadd命令在運(yùn)行的時候，就是把操作數(shù)棧中最接近棧頂?shù)?個元素出棧相加，然后將結(jié)果入棧。

操作數(shù)棧的每一個元素可以是任意的java數(shù)據(jù)類型，32位數(shù)據(jù)所占棧容量為1,64位數(shù)據(jù)所占棧容量為2。

java虛擬機(jī)的解釋執(zhí)行引擎是“基于棧的執(zhí)行引擎”，這里的棧就是指操作數(shù)棧。

動態(tài)連接

一個指向運(yùn)行時常量池的引用，用來支持當(dāng)前方法的代碼實(shí)現(xiàn)動態(tài)鏈接。

方法返回地址

一個方法開始后，只有兩種方式可以退出，一種是當(dāng)執(zhí)行引擎遇到任意一個返回字節(jié)碼指令的時候，另一種是在執(zhí)行中遇到異常并且沒有捕獲的時候。無論以哪種方式退出，退出后都需要返回到方法被調(diào)用的位置，因此需要在棧幀中保存一些信息，用來恢復(fù)它上層方法的執(zhí)行狀態(tài)。

方法調(diào)用

方法調(diào)用不等于方法執(zhí)行，方法調(diào)用階段的唯一目的就是確定被調(diào)用方法的版本。

解析

我們知道，在虛擬機(jī)進(jìn)行類加載的時候，有一個階段叫做“解析”，在解析階段會將常量池中的一部分符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用，在這個階段，有一部分方法調(diào)用就已經(jīng)被解析為了直接引用，解析的前提是，這部分方法的調(diào)用目標(biāo)在編譯階段就可以確定下來。

在java虛擬機(jī)中共有5個方法調(diào)用指令：

invokestatic

invokespecial

invokevirtual

invokeinterface

invokedynamic

可以在“解析”階段就確認(rèn)調(diào)用目標(biāo)的有invokestatic和invokespecial指令調(diào)用的方法以及invokevirtual調(diào)用的final方法，這些方法被稱為“非虛方法”，與之相反的被稱為“虛方法”。

分派

分派分為“靜態(tài)分派”和“動態(tài)分派”。

靜態(tài)分派

靜態(tài)分派用來實(shí)現(xiàn)java語言的"重載"特性。

當(dāng)我們聲明一個變量時，可能會用到這種形式：Human man=new Man();(Man是Human子類)，對于man這個變量來說，Human叫做它的靜態(tài)類型，Man叫做它的實(shí)際類型。

"重載"是基于靜態(tài)類型。也就是說，對于相同名稱，參數(shù)列表不同的方法，選擇哪個方法取決于參數(shù)列表中參數(shù)的靜態(tài)類型，而靜態(tài)類型在編譯時是可知的，因此靜態(tài)分派發(fā)生在編譯階段。

動態(tài)分派

動態(tài)分派用來實(shí)現(xiàn)java語言的“重寫”特性，動態(tài)分派對應(yīng)invokevirtual命令。

invokevirtual命令的執(zhí)行過程如下：

找到操作數(shù)棧棧頂?shù)牡谝粋€元素所指向的對象(也被稱為方法的接收者)實(shí)際類型，記為C。

如果在C中找到與常量中的描述符和簡單名稱都相符的方法，則進(jìn)行訪問權(quán)限驗(yàn)證，如果通過則返回這個方法的直接引用，查找結(jié)束；如果不通過，則返回java.lang.IllegalAccessError異常。

否則，按照繼承關(guān)系從下往上依次對C的各個父類進(jìn)行第2步的搜索和驗(yàn)證過程。

如果最終沒有找到合適的方法，則拋出java.lang.AbstractMethodError異常。

我們可以看出invokevirtual指令執(zhí)行的時候是由對象的實(shí)際類型決定調(diào)用哪個方法版本的，而對象的實(shí)際類型只有到運(yùn)行期的時候才能確定，我們把這種在運(yùn)行期確定方法版本的分派過程稱為“動態(tài)分派”。

單分派和多分派

方法的接收者與方法的參數(shù)統(tǒng)稱為方法的宗量，根據(jù)分派基于宗量的多少，將分派分為單分派和多分派兩種。

目前的java語言中，靜態(tài)分派的時候，是基于接收者和方法參數(shù)兩個宗量進(jìn)行的，因此靜態(tài)分派是多分派；動態(tài)分派的時候，是基于接收者一個宗量進(jìn)行的，因此動態(tài)分派是單分派。

方法執(zhí)行

一般從程序代碼到物理機(jī)可以運(yùn)行的目標(biāo)代碼都要經(jīng)歷下圖所示的過程：

圖中展示了編譯執(zhí)行和解釋執(zhí)行這兩種路徑，無論是哪種執(zhí)行方式，一般都會先通過詞法分析和語法分析把源代碼轉(zhuǎn)化為抽象語法樹(AST)。

然后從抽象語法樹節(jié)點(diǎn)開始，中間的分支代表的是解釋執(zhí)行過程，下邊的分支代表的是編譯執(zhí)行過程。

jvm執(zhí)行字節(jié)碼是采用的解釋執(zhí)行，javac編譯器完成了程序代碼經(jīng)過詞法分析、語法分析到抽象語法樹，再遍歷語法樹生成線性的字節(jié)碼指令流的過程。而解釋器則在虛擬機(jī)的內(nèi)部。

javac編譯器輸出的字節(jié)碼指令流是一種基于棧的指令集架構(gòu)，指令流中的大部分指令都是零地址指令，它們依賴操作數(shù)棧進(jìn)行工作。與之相對的是基于寄存器的指令集。

基于棧的指令集有以下優(yōu)點(diǎn)：

可移植

代碼更加緊湊(不需要存放參數(shù))

編譯器實(shí)現(xiàn)更簡單(不需要考慮空間分配問題，所需空間都在棧上操作)

基于棧的指令集的主要缺點(diǎn)就是執(zhí)行速度慢：一個是因?yàn)榛跅Ｍ瓿上嗤δ芩枰闹噶罴瘮?shù)量一般比基于寄存器要多，因?yàn)槿霔?、出棧會產(chǎn)生多余的指令數(shù)量；另一個是因?yàn)闂Ｊ腔趦?nèi)存實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)存的讀取速度本身就比處理器寄存器要慢，這一點(diǎn)可以采取棧頂緩存的手段，把最常用的操作映射到寄存器中避免直接訪問內(nèi)存，但是畢竟只是優(yōu)化措施，不能解決本質(zhì)問題。

執(zhí)行方法中的代碼本質(zhì)就是通過棧的指令集來進(jìn)行運(yùn)算，這里就不詳述了。

總結(jié)

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