虚拟机字节码执行引擎

概述

虚拟机的执行引擎由自己实现，所以可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

在不同的虚拟机实现中，执行引擎在执行Java代码的时候可能会产生解释执行(通过解释器执行)和编译执行(通过即时编译器产生本地代码执行)两种选择，也可能两种兼备。但是从外观看来，大家都是一样的，输入的是字节码文件，处理过程是字节码解析的等效过程，输出的是执行结果。

运行时栈帧结构

虚拟机以方法作为最基本的执行单元，栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构,它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈(Virtual Machine Stack)的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程,都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

每一个栈帧都包括了局部变量表、操作数栈、动态连接、方法返回地址和一些额外的附加信息。在编译程序代码的时候,栈帧中需要多大的局部变量表,多深的操作数栈都已经完全确定了,并且写入到方法表的Code属性之中 ,因此一个栈帧需要分配多少内存,不会受到程序运行期变量数据的影响,而仅仅取决于程序源码和具体的虚拟机实现的栈内存布局形式。

一个线程中的方法调用链可能会很长,很多方法都同时处于执行状态。对于执行引擎来说,在活动线程中,只有位于栈顶的栈帧才是有效的,称为当前栈帧(Current Stack Frame),与这个栈帧相关联的方法称为当前方法(Current Method)。执行引擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

  • 局部变量表

局部变量表(Local Variable Table)是一组变量值的存储空间,用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序编译为Class文件时,就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。局部变量表建立在线程的堆栈上，是线程私有的数据。

局部变量表的容量以变量槽作为最小单位，虚拟机规范中并没有明确指出一个变量槽应占用的内存空间大小。

  • 操作数栈

操作数栈也常称为操作栈，同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候写入到Code属性的max_stacks数据项中。操作数栈的每一个元素可以是任意的Java数据类型.

当一个方法刚刚开始执行的时候,这个方法的操作数栈是空的,在方法的执行过程中,会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容,也就是出栈/入栈操作。例如,在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的,又或者在调用其他方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的。

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，在编译程序代码的时候，编译器必须要严格保证这一点。

  • 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,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接(Dynamic Linking)。Class文件的常量池中存有大量的符号引用,字节码中的方法调用指令就以常量池里指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就被转化为直接引用，这种转化被称为静态解析。 另外一部分将在每一次运行期间都转化为直接引用，这部分就称为动态连接。

  • 方法返回地址

当一个方法开始执行后,只有两种方式可以退出这个方法。第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令,这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者(调用当前方法的方法称为调用者),是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定,这种退出方法的方式称为正常完成出口。
另外一种退出方式是,在方法执行过程中遇到了异常,并且这个异常没有在方法体内得到处理,无论是Java虚拟机内部产生的异常,还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常,只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器,就会导致方法退出,这种退出方法的方式称为异常完成出口。一个方法使用异常完成出口的方式退出,是不会给它的上层调用者产生任何返回值的。
无论采用何种退出方式,在方法退出之后,都需要返回到方法被调用的位置,程序才能继续执行,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方法的执行状态。一般来说,方法正常退出时,调用者的PC计数器的值可以作为返回地址,栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时,返回地址是要通过异常处理器表来确定的,栈帧中一般不会保存这部分信息。

  • 附加信息

虚拟机规范允许具体的虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧之中,例如与调试相关的信息,这部分信息完全取决于具体的虚拟机实现,这里不再详述。在实际开发中,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。

方法调用

方法调用并不等同于方法中的代码被执行,方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本(即调用哪一个方法),暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。在程序运行时,进行方法调用是最普遍、最频繁的操作,但前面已经讲过,Class文件的编译过程中不包含传统编译中的连接步骤,一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用,而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址(相当于之前说的直接引用)。这个特性给Java带来了更强大的动态扩展能力,但也使得Java方法调用过程变得相对复杂起来,需要在类加载期间,甚至到运行期间才能确定目标方法的直接引用。

解析

所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用。在类加载的解析阶段，会将其中一部分符号引用转化为直接引用，这种解析能成立的前提是方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。这类方法的调用称为解析。

在Java中，符合编译期可知，运行期不可变这个要求的方法，主要包括静态方法和私有方法两大类，前者与类型直接关联，后者在外部不可被访问，他们都适合在类加载阶段进行解析。

解析调用一定是一个静态的过程，在编译期间就完全确定，在类装载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为可确定的直接引用。不会延迟到运行期再去完成。

分派

静态分派

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Human man =new Man();

Human 称为变量的静态类型，Man称为变量的实际类型，静态类型和实际类型在程序中都可以发生一些变化，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装载编译期可知的，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。

在重载中，编译器的重载是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据的。而静态类型在编译期是可知的，所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作称为静态分派，典型应用就是重载。

动态分派

动态分派与重写有密切关联。

动态类型语言支持

动态语言的关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期。比如,js,php,python,ruby,lua，相对的，在编译期就进行类型检查过程的语言就是最常用的静态类型语言。