一乳丰、概述

? ? ? 執(zhí)行引擎是Java虛擬機(jī)最核心的組成部分之一曲楚。在Java虛擬機(jī)規(guī)范中制定了虛擬機(jī)字節(jié)碼執(zhí)行引擎的概念模型棕所，這個(gè)概念模型成為各種虛擬機(jī)執(zhí)行引擎的統(tǒng)一外觀(Facade)瀑踢。所有的Java虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎都是一致的：輸入的是字節(jié)碼文件擂啥，處理過程是字節(jié)碼解析的等效過程哄陶，輸出是執(zhí)行結(jié)果。

二哺壶、運(yùn)行時(shí)棧幀結(jié)構(gòu)

? ? ? 棧幀(Stack Frame)是用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)屋吨，它是虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)中的虛擬機(jī)棧(Virtual Machine Stack)的棧元素蜒谤。棧幀存儲(chǔ)了方法的局部變量表、操作數(shù)棧至扰、動(dòng)態(tài)連接和方法返回地址等信息鳍徽。每一個(gè)方法從調(diào)用開始至執(zhí)行完成的過程，都對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀在虛擬機(jī)棧里面從入棧到出棧的過程渊胸。

? ? ? 每一個(gè)棧幀都包括了局部變量表旬盯、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)連接翎猛、方法返回地址和一些額外的附加信息胖翰。

? ? ? 一個(gè)線程中的方法調(diào)用鏈可能會(huì)很長(zhǎng)，很多方法都同時(shí)處于執(zhí)行狀態(tài)切厘。對(duì)于執(zhí)行引擎來說萨咳，在活動(dòng)線程中，只有位于棧頂?shù)臈攀怯行У囊吒澹Q為當(dāng)前棧幀（Current Stack Frame）培他，與這個(gè)棧幀相關(guān)聯(lián)的方法稱為當(dāng)前方法(Current Method)。執(zhí)行引擎運(yùn)行的所有字節(jié)碼指令都只針對(duì)當(dāng)前棧幀進(jìn)行操作遗座。典型的棧幀結(jié)構(gòu)如圖8-1舀凛。

? ? ? 1、局部變量表

? ? ? ? 局部變量表（Local Variable Table）是一組變量存儲(chǔ)空間途蒋，用于存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量猛遍。在Java程序編譯為class文件時(shí)，就在方法的Code屬性的max_locals數(shù)據(jù)項(xiàng)中確定該方法所需要分配的局部變量表的最大值号坡。

? ? ? 局部變量表的容量是以變量槽（Variable Slot懊烤，下稱Slot）為最小單位，虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有明確指明一個(gè)Slot應(yīng)占用的內(nèi)存空間大小宽堆，只是很有向?qū)缘恼f到每個(gè)Slot都應(yīng)該能存放一個(gè)boolean腌紧、byte、char畜隶、short壁肋、int、float籽慢、reference或returnAddress類型的數(shù)據(jù)浸遗。

? ? ? 2、操作數(shù)棧

? ? ? 操作數(shù)棧（Operand Stack）也常稱為操作棧嗡综，它是一個(gè)先入后出（Last In First Out乙帮，LIFO）棧杜漠。操作數(shù)棧的最大深度在編譯的時(shí)候?qū)懭氲紺ode屬性的max_stacks數(shù)據(jù)項(xiàng)中极景。操作數(shù)棧的每一個(gè)元素可以是任意的Java數(shù)據(jù)類型察净，包括long和double。32位數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為1盼樟，64為數(shù)據(jù)類型所占的棧容量為2.在方法執(zhí)行的任何時(shí)候氢卡，操作數(shù)棧的深度都不會(huì)超過在max_stacks數(shù)據(jù)項(xiàng)中設(shè)定的最大值。

? ? ? 3晨缴、動(dòng)態(tài)連接

? ? ? 每個(gè)棧幀都包含一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧幀所屬方法的引用译秦，持有這個(gè)引用是為了支持方法調(diào)用過程中的動(dòng)態(tài)鏈接(Dynamic Linking)。我們知道Class文件的常量池中存有大量的符號(hào)引用击碗，字節(jié)碼中的方法調(diào)用指令就以常量池的中指向方法的符號(hào)作為參數(shù)筑悴。這些符號(hào)引用一部分會(huì)在類加載階段或者第一次使用的時(shí)候轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化稱為靜態(tài)解析稍途。另一部分將在每一次運(yùn)行期間轉(zhuǎn)化為直接引用阁吝，這部分為動(dòng)態(tài)鏈接。

? ? ? 4械拍、方法返回地址

? ? ? 執(zhí)行方法突勇，退出方式有兩種，一種叫正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）坷虑。另一種叫異常完成出口(Abrupt Method Invocation Completion)甲馋。不管什么方法退出，都需要返回到方法被調(diào)用的位置迄损，程序才能繼續(xù)執(zhí)行定躏，方法返回時(shí)可能需要在棧幀中保存一些信息，用來幫助恢復(fù)他的上層方法的執(zhí)行狀態(tài)海蔽。

? ? ? 5共屈、附加信息

? ? ? 一般會(huì)把動(dòng)態(tài)鏈接、方法返回地址與其他附加信息全部歸為一類党窜，稱為棧幀信息拗引。

三、方法調(diào)用

? ? ? 1幌衣、解析

? ? ? ? 方法在程序真正運(yùn)行之前就有一個(gè)班可確定的調(diào)用版本矾削，并且這個(gè)方法的調(diào)用版本在運(yùn)行期是不可變的。換句話說豁护，調(diào)用目標(biāo)在程序代碼寫好哼凯、編譯器進(jìn)行編譯時(shí)就必須確定下來。這類方法的調(diào)用稱為解析(Resolution)楚里。解析調(diào)用一定是個(gè)靜態(tài)過程断部，在編譯期間就完全確定，在類裝載的解析階段就會(huì)把涉及的符號(hào)引用全部轉(zhuǎn)變?yōu)榭纱_定的直接引用班缎。

? ? ? 2蝴光、分派

? ? ? ? 分派（Dispatch）調(diào)用可能是靜態(tài)的也可能是動(dòng)態(tài)的她渴。分派可以分為單分派和多分派。兩兩組合可以有靜態(tài)單分派蔑祟、動(dòng)態(tài)單分派趁耗、靜態(tài)多分派和動(dòng)態(tài)多分派四中情況。

? ? ? ? 1)疆虚、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(dòng)作稱為靜態(tài)分派苛败。靜態(tài)分派的典型應(yīng)用是方法重載。

? ? ? ? 2)径簿、動(dòng)態(tài)分派

? ? ? ? 運(yùn)行期根據(jù)實(shí)際類型確定方法執(zhí)行版本的分派過程稱為動(dòng)態(tài)分派罢屈。

? ? ? ? 3)、單分派與多分派

? ? ? ? 方法的接收者與方法的參數(shù)統(tǒng)稱為方法的宗量篇亭。根據(jù)分派基于多少宗量儡遮，可以將分派劃分為單分派和多分派兩種。單分派是根據(jù)一個(gè)宗量對(duì)目標(biāo)方法進(jìn)行選擇暗赶，多分派則根據(jù)多余一個(gè)宗量對(duì)目標(biāo)方法進(jìn)行選擇鄙币。

? ? ? ? 4)、虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)分派的實(shí)現(xiàn)

? ? ? ? 最常用的是“穩(wěn)定優(yōu)化”手段就是為類在方法區(qū)中建立一個(gè)虛方法表（Virtual Method Table,也稱為itable）蹂随，使用虛方法表索引來代替元數(shù)據(jù)查找以提高性能十嘿。

? ? ? ? 圖8-3 方法表結(jié)構(gòu)

? ? ? ? 虛方法表中存放著各個(gè)方法的實(shí)際入口地址。如果某個(gè)方法在子類中沒有被重寫岳锁，那子類的虛方法表里面的地址入口和父類相同方法的地址入口是一致的绩衷，都指向父類的實(shí)現(xiàn)入口。如果子類中重寫了這個(gè)方法激率，子類虛方法表的地址將會(huì)替換為指向子類實(shí)現(xiàn)版本的入口地址咳燕。

? ? ? ? 虛擬機(jī)除了使用方法表之外，在條件允許的情況下乒躺，還會(huì)使用內(nèi)聯(lián)緩存（Inline Ccahe）和基于“類型繼承關(guān)系分析”(Class Hierarchy Analysis,CHA)的技術(shù)守護(hù)內(nèi)聯(lián)（Guarded Inlining）兩種非穩(wěn)定的“激進(jìn)優(yōu)化”手段來獲得更高的性能招盲。

四、基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎

? ? ? ? 1嘉冒、解釋執(zhí)行

? ? ? ? Java虛擬機(jī)遵循的是基于現(xiàn)代經(jīng)典編譯原理的思路曹货，在執(zhí)行前先對(duì)程序源碼進(jìn)行詞法分析和語(yǔ)法分析處理，把源碼轉(zhuǎn)化為抽象語(yǔ)法樹（Abstract Syntax Tree,AST）讳推。Java語(yǔ)言中顶籽，Javac編譯器完成了程序代碼經(jīng)過詞法分析银觅、語(yǔ)法分析到抽象語(yǔ)法樹，再遍歷語(yǔ)法樹生成先性的字節(jié)碼指令流的過程。因?yàn)檫@一部分動(dòng)作是在Java虛擬機(jī)之外進(jìn)行的镊绪，而解釋器在虛擬機(jī)內(nèi)部，所以Java程序的編譯就是半獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的镰吆。圖8-4 編譯過程

? ? ? 2跑慕、基于棧的指令集與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,ISA)核行，指令流中的指令大部分都是零地址指令，它們依賴操作數(shù)棧進(jìn)行工作芝雪。另外還有一套常用的基于寄存器的指令集减余，最典型的就是x86的二地址指令集，這些指令依賴寄存器進(jìn)行工作惩系。

? ? ? 基于棧的指令集主要的優(yōu)點(diǎn)就是可移植位岔，寄存器由硬件直接提供，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堡牡。棧架構(gòu)的指令集還有一些其他的優(yōu)點(diǎn)抒抬，如代碼相對(duì)更加緊湊、編譯器實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單等晤柄。

? ? ? 棧架構(gòu)指令集的主要缺點(diǎn)是執(zhí)行速度相對(duì)來說會(huì)稍微慢一些擦剑。

? ? ? 3、基于棧的解釋器執(zhí)行過程

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