JVM深入浅出（9）--- 虚拟机字节码执行引擎

1. 概述

物理机的执行引擎是直接建立在操作系统，处理器，缓存，指令集上。而虚拟机的执行引擎是软件实现的，因此可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系

在不同虚拟机中，执行引擎在执行字节码的时候，通常有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（即通过编译器产生本地代码执行），也可能两者兼备。

所有执行引擎的输入输出都是一样的，输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果

解释器是通过将字节码指令转换成对应平台的机器指令后执行。

JVM 中的编译器特指 JIT（Just-In-Time）编译器，是 HotSpot 虚拟机的核心优化组件。JIT 编译器不是 “一次性编译所有字节码”，而是 “按需编译。JVM 运行时会统计代码的执行频率，当代码达到 “热点阈值”（默认一万次调用），标记为 “热点代码”。JIT 编译器在后台将热点字节码编译为与当前 CPU 架构匹配的机器码，并存入代码缓存

2. 运行时栈帧结构

栈帧是支持方法调用和方法执行的数据结构，栈帧存储了局部变量表，操作数栈，动态连接，方法返回地址等信息。

栈帧的大小是在编译就已经决定好了，不会收到运行期变量的影响。

只有位于栈顶的栈帧是运行的，称为当前栈帧。

2.1 局部变量表

局部变量表用来放方法参数和方法内部定义的局部变量。以变量槽为单位，一个变量槽可以放32位以内的数据类型，Java中占用不超过32位存储空间的数据类型有boolean、byte、char、short、int、 float、reference和returnAddress这8种类型。

对于64位的数据类型long，double，Java会使用两个连续的变量槽来存储。

局部变量表的访问是通过从0到N的索引来访问的，对于占用一个变量槽的元素，索引N 表示第N个槽。但是访问64位元素时，会要求同时使用N和N+ 1两个槽，不允许任何方式单独访问其中一个。局部变量表中的变量槽可以重⽤

如果方法是实例方法，局部变量表的0默认是this，局部变量表能完成形参到实参的传递。

还记得吗局部变量表的元素可以作为gcroots去做可达性算法，当局部变量脱离作用域后，局部变量表的变量可能还占用插槽，导致其不会被回收。

2.2 操作数栈

• 操作数栈的最大深度也在编译的时候被写入到Code属性的max_stacks数据项 之中

• 操作数栈的每一个元素都可以是包括long和double在内的任意Java数据类型。32位数据类型所占 的栈容量为1，64位数据类型所占的栈容量为2

• 刚开始时，操作数栈是空的，在方法执行过程中，会有字节码指令往操作数栈中写入和提取内容。

• 操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配

• 虚拟机中会做内存优化处理，令两个栈帧出现一部分重叠。让下面栈帧的部分操作数 栈与上面栈帧的部分局部变量表重叠在一起，共用一部分数据。

2.3 动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。

• 在类加载期间的符号引用转化为直接引用，这种叫做静态连接
• 在运行期间的符号引用转化为直接引用，叫做动态连接。

2.4 方法返回地址

方法的退出有两种方式

• 正常调用完成 ：执行引擎遇到方法返回的字节码指令，这时候会把返回值传递给上层调用者
• 异常调用完成：在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到妥善处理

无论是哪种退出，程序都需要回到调用前的状态，所以方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层主调方法的执行状态。

2.5 附加信息

• 《Java虚拟机规范》允许虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧之中，例如与调试、 性能收集相关的信息，这部分信息完全取决于具体的虚拟机实现
• 在讨论概念时，一 般会把动态连接、方法返回地址与其他附加信息全部归为一类，称为栈帧信息

3.方法调用

方法调用不等于方法被执行，方法调用阶段的唯一任务就是确定调用方法的版本（即确认调用哪一个方法）

3.1 解析

解析成立的前提：在符号引用转为直接引用时，真正运行之前找到一个确定的调用版本，且这个版本在运行期是不可变的

编译器可知，运行期不可变的方法：静态方法&私有方法，这种特性表明他们都适合在加载时解析

调用不同方法的指令

• invokestatic：调用静态方法
• invokespecial：调用<init>,私有方法和父类的方法
• invokevirtual：调用所有虚方法
• invokedynamic：先在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法
• invokeinterface：用于调用接口方法，

只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本， Java语言里符合这个条件的方法共有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法4种，再加上被final 修饰（虽然这个是用invokevirtual调用的）的方法，这五种方法会在类加载时就解析，称之为非虚方法，而其他方法称为虚方法

能在类加载阶段的解析是静态解析

3.2 分派（分派调用，也就是如何确定调用方法的版本）

分派 （Dispatch）调用可能是静态的也可能是动态的，按照分派依据的宗量数可分为单 分派和多分派

首先什么是静态类型和实际类型？

• 静态类型就是变量的类型，如Human man = new Man();,Human 就是静态类型
• 实际类型就是实际分配对象的类型，如上面 Man就是实际类型
• 静态类型和实际类型在程序中都可能发生变化，区别是静态类型的变化仅仅在使用时发生，变量本身的静态类型不会被改变，并且最终的静态类型是在编译期可知的；而实际类 型变化的结果在运行期才可确定，编译器在编译程序的时候并不知道一个对象的实际类型是什么

四种分派：

• 静态分派

  • 所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。例如重载，是根据静态类型来决定方法的调用，这是静态分派最好的例子，静态分派发生在编译器。需要注意 Javac 编译器虽然能确定出⽅法的重载版本，但在很多情况下这个 重载版本并不是 “ 唯⼀ ” 的，往往只能确定⼀个 “ 相对更合适的 ” 版本；

• 动态分派

  • 动态分派是用动态类型来决定方法执行的版本（其实也就是动态绑定），重写是最典型的例子。

  • 在字节码指令中，调用invokevirtual虽然都指向了同样的符号引用，但结果却不同。invokevirtual指令的运行时解析过程如下

    • 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型，记作C。
    • 如果在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果 通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；不通过则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
    • 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证过程
    • 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常

    说白了，正是因为invokevirtual指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以调用方法并不是找到符号引用就结束了。

• 单分派与多分派

  • 方法的接收者与方法的参数统称为方法的宗量。单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择，多分派则是根据多于一个宗量对目标方法进行选择。
  • Java语言的静态分派属于多分派类型，动态分派属于单分派类型。

虚拟机动态分派的实现

由于动态分派需要运行时在接收者类型的 方法元数据中搜索合适的目标方法，基于性能考虑，虚拟机不会多次去查询元数据，而是建立一个虚方法表。使用虚方法表索引来代替元数据查找以 提高性能