《深入理解Java虛擬機：JVM高級特性與最佳實踐（第二版》讀書筆記與常見相關(guān)面試題總結(jié)
1 概述
執(zhí)行引擎是java虛擬機最核心的組成部件之一限匣。虛擬機的執(zhí)行引擎由自己實現(xiàn)，所以可以自行定制指令集與執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)體系毡熏，并且能夠執(zhí)行那些不被硬件直接支持的指令集格式舍扰。
所有的Java虛擬機的執(zhí)行引擎都是一致的：輸入的是字節(jié)碼文件倦蚪，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)果妥粟。本節(jié)將主要從概念模型的角度來講解虛擬機的方法調(diào)用和字節(jié)碼執(zhí)行审丘。
2 運行時棧幀結(jié)構(gòu)
棧幀（Stack Frame）?是用于支持虛擬機方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是虛擬機運行時數(shù)據(jù)區(qū)中虛擬機棧（Virtual Machine Stack）的棧元素勾给。
棧幀存儲了方法的局部變量表滩报、操作數(shù)棧、動態(tài)連接和方法返回地址等信息播急。每一個方法從調(diào)用開始至執(zhí)行完成的過程脓钾，都對應(yīng)著一個棧幀在虛擬機棧里面從入棧到出棧的過程。
棧幀概念結(jié)構(gòu)如下圖所示：
2.1 局部變量表
**局部變量表是一組變量值存儲空間桩警，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)定義的局部變量可训。
局部變量表的容量以變量槽（Variable Slot）為最小單位。** 一個Slot可以存放一個32位以內(nèi)（boolean捶枢、byte握截、char、short烂叔、int谨胞、float、reference和returnAddress）的數(shù)據(jù)類型蒜鸡，reference類型表示一個對象實例的引用胯努，returnAddress已經(jīng)很少見了牢裳，可以忽略。
對于64位的數(shù)據(jù)類型（Java語言中明確的64位數(shù)據(jù)類型只有l(wèi)ong和double）叶沛，虛擬機會以高位對齊的方式為其分配兩個連續(xù)的Slot空間蒲讯。
虛擬機通過索引定位的方式使用局部變量表，索引值的范圍從0開始至局部變量表最大的Slot數(shù)量灰署。訪問的是32位數(shù)據(jù)類型的變量判帮，索引n就代表了使用第n個Slot,如果是64位數(shù)據(jù)類型，就代表會同時使用n和n+1這兩個Slot溉箕。
為了節(jié)省棧幀空間脊另，局部變量Slot可以重用，方法體中定義的變量约巷，其作用域并不一定會覆蓋整個方法體。如果當(dāng)前字節(jié)碼PC計數(shù)器的值超出了某個變量的作用域旱捧，那么這個變量的Slot就可以交給其他變量使用独郎。這樣的設(shè)計會帶來一些額外的副作用，比如：在某些情況下枚赡，Slot的復(fù)用會直接影響到系統(tǒng)的收集行為氓癌。
2.2 操作數(shù)棧
操作數(shù)棧（Operand Stack）?也常稱為操作棧，它是一個后入先出棧贫橙。當(dāng)一個方法執(zhí)行開始時贪婉，這個方法的操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行過程中卢肃，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內(nèi)容疲迂，也就是?出棧/入棧操作。
在概念模型中莫湘，一個活動線程中兩個棧幀是相互獨立的尤蒿。但大多數(shù)虛擬機實現(xiàn)都會做一些優(yōu)化處理：讓下一個棧幀的部分操作數(shù)棧與上一個棧幀的部分局部變量表重疊在一起，這樣的好處是方法調(diào)用時可以共享一部分?jǐn)?shù)據(jù)幅垮，而無須進(jìn)行額外的參數(shù)復(fù)制傳遞腰池。
2.3 動態(tài)連接
每個棧幀都包含一個指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動態(tài)連接忙芒；
字節(jié)碼中方法調(diào)用指令是以常量池中的指向方法的符號引用為參數(shù)的示弓，有一部分符號引用會在類加載階段或第一次使用的時候轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化稱為?靜態(tài)解析呵萨，另外一部分在每次的運行期間轉(zhuǎn)化為直接引用奏属，這部分稱為動態(tài)連接。
2.4 方法返回地址
當(dāng)一個方法被執(zhí)行后甘桑，有兩種方式退出這個方法：
第一種是執(zhí)行引擎遇到任意一個方法返回的字節(jié)碼指令拍皮，這種退出方法的方式稱為正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）歹叮。
另外一種是在方法執(zhí)行過程中遇到了異常，并且這個異常沒有在方法體內(nèi)得到處理（即本方法異常處理表中沒有匹配的異常處理器）铆帽，就會導(dǎo)致方法退出咆耿，這種退出方式稱為異常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。
注意：這種退出方式不會給上層調(diào)用者產(chǎn)生任何返回值爹橱。
無論采用何種退出方式萨螺，在方法退出后，都需要返回到方法被調(diào)用的位置愧驱，程序才能繼續(xù)執(zhí)行慰技，方法返回時可能需要在棧幀中保存一些信息，用來幫助恢復(fù)它的上層方法的執(zhí)行狀態(tài)组砚。一般來說吻商，方法正常退出時，調(diào)用者的PC計數(shù)器的值可以作為返回地址糟红，棧幀中很可能會保存這個計數(shù)器值艾帐。而方法異常退出時，返回地址是通過異常處理器表來確定的盆偿，棧幀中一般不會保存這部分信息柒爸。
方法退出的過程實際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此退出時可能執(zhí)行的操作有：恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧事扭，把返回值（如果有的話）壓入調(diào)用者棧幀的操作數(shù)棧中捎稚，調(diào)整PC計數(shù)器的值以指向方法調(diào)用指令后面的一條指令等。
2.5 附加信息
虛擬機規(guī)范允許虛擬機實現(xiàn)向棧幀中添加一些自定義的附加信息求橄，例如與調(diào)試相關(guān)的信息等今野。
3 方法調(diào)用
方法調(diào)用階段的目的：確定被調(diào)用方法的版本（哪一個方法），不涉及方法內(nèi)部的具體運行過程谈撒，在程序運行時腥泥，進(jìn)行方法調(diào)用是最普遍、最頻繁的操作啃匿。
一切方法調(diào)用在Class文件里存儲的都只是符號引用蛔外，這是需要在類加載期間或者是運行期間，才能確定為方法在實際 運行時內(nèi)存布局中的入口地址（相當(dāng)于之前說的直接引用）溯乒。
3.1 解析
“編譯期可知夹厌，運行期不可變”的方法（靜態(tài)方法和私有方法），在類加載的解析階段裆悄，會將其符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用（入口地址）矛纹。這類方法的調(diào)用稱為“解析（Resolution）”。
在Java虛擬機中提供了5條方法調(diào)用字節(jié)碼指令：
invokestatic?: 調(diào)用靜態(tài)方法
invokespecial:調(diào)用實例構(gòu)造器方法光稼、私有方法或南、父類方法
invokevirtual:調(diào)用所有的虛方法
invokeinterface:調(diào)用接口方法孩等，會在運行時在確定一個實現(xiàn)此接口的對象
invokedynamic:先在運行時動態(tài)解析出點限定符所引用的方法，然后再執(zhí)行該方法采够，在此之前的4條調(diào)用命令的分派邏輯是固化在Java虛擬機內(nèi)部的肄方，而invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的。
3.2 分派
分派調(diào)用過程將會揭示多態(tài)性特征的一些最基本的體現(xiàn)蹬癌，如“重載”和“重寫”在Java虛擬中是如何實現(xiàn)的权她。
1 靜態(tài)分派
所有依賴靜態(tài)類型來定位方法執(zhí)行版本的分派動作，都稱為靜態(tài)分派逝薪。靜態(tài)分派發(fā)生在編譯階段隅要。
靜態(tài)分派最典型的應(yīng)用就是方法重載。
package jvm8_3_2;
public class StaticDispatch {
? ? static abstract class Human {
? ? }
? ? static class Man extends Human {
? ? }
? ? static class Woman extends Human {
? ? }
? ? public void sayhello(Human guy) {
? ? ? ? System.out.println("Human guy");
? ? }
? ? public void sayhello(Man guy) {
? ? ? ? System.out.println("Man guy");
? ? }
? ? public void sayhello(Woman guy) {
? ? ? ? System.out.println("Woman guy");
? ? }
? ? public static void main(String[] args) {
? ? ? ? Human man = new Man();
? ? ? ? Human woman = new Woman();
? ? ? ? StaticDispatch staticDispatch = new StaticDispatch();
? ? ? ? staticDispatch.sayhello(man);// Human guy
? ? ? ? staticDispatch.sayhello(woman);// Human guy
? ? }
}
運行結(jié)果：
Human guy
Human guy
為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢董济？
Human man = new Man();其中的Human稱為變量的靜態(tài)類型（Static Type）,Man稱為變量的實際類型（Actual Type）步清。
兩者的區(qū)別是：靜態(tài)類型在編譯器可知，而實際類型到運行期才確定下來虏肾。
在重載時通過參數(shù)的靜態(tài)類型而不是實際類型作為判定依據(jù)尼啡，因此，在編譯階段询微，Javac編譯器會根據(jù)參數(shù)的靜態(tài)類型決定使用哪個重載版本。所以選擇了sayhello(Human)作為調(diào)用目標(biāo)狂巢，并把這個方法的符號引用寫到main()方法里的兩條invokevirtual指令的參數(shù)中撑毛。
2 動態(tài)分派
在運行期根據(jù)實際類型確定方法執(zhí)行版本的分派過程稱為動態(tài)分派。最典型的應(yīng)用就是方法重寫唧领。
package jvm8_3_2;
public class DynamicDisptch {
? ? static abstract class Human {
? ? ? ? abstract void sayhello();
? ? }
? ? static class Man extends Human {
? ? ? ? @Override
? ? ? ? void sayhello() {
? ? ? ? ? ? System.out.println("man");
? ? ? ? }
? ? }
? ? static class Woman extends Human {
? ? ? ? @Override
? ? ? ? void sayhello() {
? ? ? ? ? ? System.out.println("woman");
? ? ? ? }
? ? }
? ? public static void main(String[] args) {
? ? ? ? Human man = new Man();
? ? ? ? Human woman = new Woman();
? ? ? ? man.sayhello();
? ? ? ? woman.sayhello();
? ? ? ? man = new Woman();
? ? ? ? man.sayhello();
? ? }
}
運行結(jié)果：
man
woman
woman
3 單分派和多分派
方法的接收者藻雌、方法的參數(shù)都可以稱為方法的宗量。根據(jù)分批基于多少種宗量斩个，可以將分派劃分為單分派和多分派胯杭。單分派是根據(jù)一個宗量對目標(biāo)方法進(jìn)行選擇的，多分派是根據(jù)多于一個的宗量對目標(biāo)方法進(jìn)行選擇的受啥。
Java在進(jìn)行靜態(tài)分派時做个，選擇目標(biāo)方法要依據(jù)兩點：一是變量的靜態(tài)類型是哪個類型，二是方法參數(shù)是什么類型滚局。因為要根據(jù)兩個宗量進(jìn)行選擇居暖，所以Java語言的靜態(tài)分派屬于多分派類型。
運行時階段的動態(tài)分派過程藤肢，由于編譯器已經(jīng)確定了目標(biāo)方法的簽名（包括方法參數(shù)）太闺，運行時虛擬機只需要確定方法的接收者的實際類型，就可以分派嘁圈。因為是根據(jù)一個宗量作為選擇依據(jù)省骂，所以Java語言的動態(tài)分派屬于單分派類型蟀淮。
注：到JDK1.7時，Java語言還是靜態(tài)多分派钞澳、動態(tài)單分派的語言怠惶，未來有可能支持動態(tài)多分派。
4 虛擬機動態(tài)分派的實現(xiàn)
由于動態(tài)分派是非常頻繁的動作略贮，而動態(tài)分派在方法版本選擇過程中又需要在方法元數(shù)據(jù)中搜索合適的目標(biāo)方法甚疟，虛擬機實現(xiàn)出于性能的考慮，通常不直接進(jìn)行如此頻繁的搜索逃延，而是采用優(yōu)化方法览妖。
其中一種“穩(wěn)定優(yōu)化”手段是：在類的方法區(qū)中建立一個虛方法表（Virtual Method Table, 也稱vtable, 與此對應(yīng)，也存在接口方法表——Interface Method Table揽祥，也稱itable）讽膏。使用虛方法表索引來代替元數(shù)據(jù)查找以提高性能。其原理與C++的虛函數(shù)表類似拄丰。
虛方法表中存放的是各個方法的實際入口地址府树。如果某個方法在子類中沒有被重寫，那子類的虛方法表里面的地址入口和父類中該方法相同料按，都指向父類的實現(xiàn)入口奄侠。虛方法表一般在類加載的連接階段進(jìn)行初始化。
3.3 動態(tài)類型語言的支持
JDK新增加了invokedynamic指令來是實現(xiàn)“動態(tài)類型語言”载矿。
靜態(tài)語言和動態(tài)語言的區(qū)別：
靜態(tài)語言（強類型語言）：
靜態(tài)語言是在編譯時變量的數(shù)據(jù)類型即可確定的語言垄潮，多數(shù)靜態(tài)類型語言要求在使用變量之前必須聲明數(shù)據(jù)類型。
例如：C++闷盔、Java弯洗、Delphi、C#等逢勾。
動態(tài)語言（弱類型語言）?：
動態(tài)語言是在運行時確定數(shù)據(jù)類型的語言牡整。變量使用之前不需要類型聲明，通常變量的類型是被賦值的那個值的類型溺拱。
例如PHP/ASP/Ruby/Python/Perl/ABAP/SQL/JavaScript/Unix Shell等等逃贝。
強類型定義語言?：
強制數(shù)據(jù)類型定義的語言。也就是說迫摔，一旦一個變量被指定了某個數(shù)據(jù)類型秋泳，如果不經(jīng)過強制轉(zhuǎn)換，那么它就永遠(yuǎn)是這個數(shù)據(jù)類型了攒菠。舉個例子：如果你定義了一個整型變量a,那么程序根本不可能將a當(dāng)作字符串類型處理迫皱。強類型定義語言是類型安全的語言。
弱類型定義語言?：
數(shù)據(jù)類型可以被忽略的語言。它與強類型定義語言相反, 一個變量可以賦不同數(shù)據(jù)類型的值卓起。強類型定義語言在速度上可能略遜色于弱類型定義語言和敬，但是強類型定義語言帶來的嚴(yán)謹(jǐn)性能夠有效的避免許多錯誤。
4 基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎
虛擬機如何調(diào)用方法的內(nèi)容已經(jīng)講解完畢戏阅，現(xiàn)在我們來探討虛擬機是如何執(zhí)行方法中的字節(jié)碼指令昼弟。
4.1 解釋執(zhí)行
Java語言經(jīng)常被人們定位為?“解釋執(zhí)行”語言，在Java初生的JDK1.0時代奕筐，這種定義還比較準(zhǔn)確的舱痘，但當(dāng)主流的虛擬機中都包含了即時編譯后，Class文件中的代碼到底會被解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行离赫，就成了只有虛擬機自己才能準(zhǔn)確判斷的事情芭逝。再后來，Java也發(fā)展出來了直接生成本地代碼的編譯器[如何GCJ（GNU Compiler for the Java）]渊胸，而C/C++也出現(xiàn)了通過解釋器執(zhí)行的版本（如CINT）旬盯，這時候再籠統(tǒng)的說“解釋執(zhí)行”，對于整個Java語言來說就成了幾乎沒有任何意義的概念翎猛，只有確定了談?wù)搶ο笫悄撤N具體的Java實現(xiàn)版本和執(zhí)行引擎運行模式時胖翰，談解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行才會比較確切。
Java語言中切厘，javac編譯器完成了程序代碼經(jīng)過詞法分析萨咳、語法分析到抽象語法樹，再遍歷語法樹生成線性的字節(jié)碼指令流的過程疫稿，因為這一部分動作是在Java虛擬機之外進(jìn)行的某弦，而解釋器在虛擬機內(nèi)部，所以Java程序的編譯就是半獨立實現(xiàn)的而克，
4.2 基于棧的指令集和基于寄存器的指令集
Java編譯器輸出的指令流，基本上是一種基于棧的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture怔毛，ISA）员萍，依賴操作數(shù)棧進(jìn)行工作。與之相對應(yīng)的另一套常用的指令集架構(gòu)是基于寄存器的指令集拣度，依賴寄存器進(jìn)行工作碎绎。
那么，基于棧的指令集和基于寄存器的指令集這兩者有什么不同呢抗果？
舉個簡單例子筋帖，分別使用這兩種指令計算1+1的結(jié)果，基于棧的指令集會是這個樣子：
iconst_1
iconst_1
iadd
istore_0
兩條iconst_1指令連續(xù)把兩個常量1壓入棧后冤馏，iadd指令把棧頂?shù)膬蓚€值出棧日麸、相加，然后將結(jié)果放回棧頂，最后istore_0把棧頂?shù)闹捣诺骄植孔兞勘碇械牡?個Slot中代箭。
如果基于寄存器的指令集墩划，那程序可能會是這個樣子：
mov eax, 1
add eax, 1
mov指令把EAX寄存器的值設(shè)置為1，然后add指令再把這個值加1嗡综，將結(jié)果就保存在EAX寄存器里面乙帮。
基于棧的指令集主要的優(yōu)點就是可移植，寄存器是由硬件直接提供极景，程序直接依賴這些硬件寄存器則不可避免地要受到硬件的約束察净。
**棧架構(gòu)的指令集還有一些其他的優(yōu)點，如代碼相對更加緊湊盼樟，編譯器實現(xiàn)更加簡單等氢卡。
棧架構(gòu)指令集的主要缺點是執(zhí)行速度相對來說會稍微慢一些。**
總結(jié)
本節(jié)中恤批，我們分析了虛擬機在執(zhí)行代碼時异吻，如何找到正確的方法、如何執(zhí)行方法內(nèi)的字節(jié)碼喜庞，以及執(zhí)行代碼時涉及的內(nèi)存結(jié)構(gòu)诀浪。
