5、执行引擎

概述

• 执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一
• “虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，二虚拟机的执行引擎则是由软件执行实现的，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，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

JVM主要任务时负责装载字节码到其内部，单字节码并不能够直接运行在操作系统上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表，以及其他辅助信息。
那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎(Execution Engine)的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行引擎工作过程

1、执行引擎在执行的过程中究竟需要执行什么样的字节码指令，完全依赖于PC寄存器
2、每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
3、当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在Java堆区中的对象实例信息，以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。

Java代码编译和执行的过程

大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要经过上图中的额各个步骤。
Java代码编译是由Java源码编译器来完成的(上图橙色部分，也就是javac命令生成class文件的过程)，流程如下：

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成的(上上图的蓝绿色部分)，流程如下：

什么是解释器？什么是JIT编译器？(本节第一图 绿色对应解释过程，蓝色对应编译过程)

解释器：当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应的本地机器指令执行。
JIT(Just In Time Compiler)编译器：就是虚拟机将源代码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。
为什么说Java是半编译办解释型语言？
执行引擎在去解释执行字节码文件，让CPU、操作系统去执行的时候，既可以使用解释器，也可以使用即时编译器。
JDK1.0时代，将Java语言定位为“解释执行”还是比较准确的。再后来，Java也发展出可以直接生成本地代码的编译器。
现在JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译执行二者结合起来进行 。

解释器

JVM设计者们的初衷仅仅只是单纯地为了满足Java程序实现跨平台平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器码指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。

解释器真正意义上锁承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。
Java发展史上，一共有两套解释执行器，即古老的字节码解释器、现在普遍使用的模板解释器。

• 字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。
• 而模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中借支产生这条字节码执行时的机器码，宠儿很大程度上提高了解释器的性能。
  • 在HotSpot VM中，解释器主要由Interpreter木块和Code模块构成。
    • Interpreter模块：实现了解释器的核心功能。
    • Code模块：用于管理HotSpot VM在应行时生成的本地机器码指令。
      解释器由于在设计和实现上非常简单，因此除了Java语言之外，还有很多高级语言也是基于解释器执行的，如Python、Perl、Ruby等。但是在今天，基于解释器执行已经沦落为低效的代名词。为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫做即时编译的技术。即时编译的目的是避免函数被解释执行，而是将将整个函数体编译成为机器码，每次函数执行时，只执行变异后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度提升。

JIT编译器

前面提到的解释器是将源码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行。编译器十字街编译成机器码来执行。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术(JIT,Just In Time)将方法编程机器码后再执行。

HotSpot VM是目前高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即使编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即使编译器能够相互协作。各自取长补短，尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。