深入理解java虚拟机（5）---字节码执行引擎

字节码是什么东西？

以下是百度的解释：

字节码（Byte-code）是一种包含执行程序、由一序列 op 代码/数据对组成的二进制文件。字节码是一种中间码，它比机器码更抽象。

它经常被看作是包含一个执行程序的二进制文件，更像一个对象模型。字节码被这样叫是因为通常每个 opcode 是一字节长，

但是指令码的长度是变化的。每个指令有从 0 到 255（或十六进制的： 00 到FF)的一字节操作码，被参数例如寄存器或内存地址跟随。

说了这么多，你可能还是不明白到底是什么东西。好吧，简单点，就是java编译以后的那个东东，“.class”文件。

所以class文件就是字节码文件，是由虚拟机执行的文件。也就是java语言和C & C++语言的区别就是，整个编译执行过程多了一个虚拟

机这一步。这个在“深入理解java虚拟机（3）---类的结构” 一文中已经解释，这是一个里程碑式的设计。上一节讲了虚拟机是如何加载

一个class的，这一节就讲解虚拟机是如何执行class文件的。

java虚拟机规范，规定了虚拟机字节码的执行概念模型。具体的虚拟机可以有不同的实现。

运行时栈帧结构

栈是每个线程独有的内存。

栈帧存储了局部变量表，操作数栈，动态连接，和返回地址等。

每一个方法的执行对应的一个栈帧在虚拟机里面从如栈到出栈的过程。

只有位于栈顶的栈帧才有有效的，对应的方法称为当前方法。

执行引擎运行的所有指令只针对当前栈帧和当前方法。

1.局部变量表

局部变量表存放的一组变量的存储空间。存放方法参数和方法内部定义的局部变量表。

在java编译成class的时候，已经确定了局部变量表所需分配的最大容量。

局部变量表的最小单位是一个Slot。

虚拟机规范没有明确规定一个Slot占多少大小。只是规定，它可以放下boolean,byte,...reference &return address.

reference 是指一个对象实例的引用。关于reference的大小，目前没有明确的指定大小。但是我们可以理解为它就是类似C++中的指针。

局部变量表的读取方式是索引，从0开始。所以局部变量表可以简单理解为就是一个表.

局部变量表的分配顺序如下：

this 引用。可以认为是隐式参数。

方法的参数表。

根据局部变量顺序，分配Solt。

一个变量一个solt，64为的占2个solt。java中明确64位的是long & double

为了尽可能的节约局部变量表，Solt可以重用。

注意：局部变量只给予分配的内存，没有class对象的准备阶段，所以局部变量在使用前，必须先赋值。

2.操作数栈

操作数栈在概念上很像寄存器。

java虚拟机无法使用寄存器，所以就有操作数栈来存放数据。

虚拟机把操作数栈作为它的工作区——大多数指令都要从这里弹出数据，执行运算，然后把结果压回操作数栈。

比如，iadd指令就要从操作数栈中弹出两个整数，执行加法运算，其结果又压回到操作数栈中，看看下面的示例，

它演示了虚拟机是如何把两个int类型的局部变量相加，再把结果保存到第三个局部变量的：

begin

iload_0 // push the int in local variable 0 onto the stack

iload_1 // push the int in local variable 1 onto the stack

iadd // pop two ints, add them, push result

istore_2 // pop int, store into local variable 2

end

操作数栈的数据读取、写入就是出栈和如栈操作。

3.动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池的引用，持有这个引用是为了支持动态连接。

符号池的引用，有一部分是在第一次使用或者初始化的时候就确定下来，这个称为静态引用。

还有一部分是在每次执行的时候采取确定，这个就是动态连接。

4.方法返回地址

方法只有2中退出方式，正常情况下，遇到return指令退出。还有就是异常退出。

正常情况：一般情况下，栈帧会保存在程序计数器中的调用者的地址。虚拟机通过这个方式，执行方法调用者的地址，

然后把返回值压入调用者中的操作数栈。

异常情况：方法不会返回任何值，返回地址有异常表来确定，栈帧一般不存储信息。

5.方法调用

方法调用阶段不是执行该方法，而仅仅时确认要调用那个方法。class文件在编译阶段没有连接这一过程，、

所以动态连接这个在C++就已经有的技术，在java运用到了一个新的高度。所有的函数（除了私有方法，构造方法 & 静态方法，下同），理论上

都可以时C++里面的虚函数。所以所有的函数都需要通过动态绑定来确定“明确”的函数实体。

解析

所有方法调用的目标方法都是常量池中的符号引用。在类的加载解析阶段，会将一部分目标方法转化为直接引用。（可以理解为具体方法的直接地址）

可以转化的方法，主要为静态方法 & 私有方法。

Java虚拟机提供5中方法调用命令：

invokestatic:调用静态方法

invokespecial:调用构造器，私有方法和父类方法

invokevirtual:调用虚方法

invokeinterface:调用接口方法

invokedynamic：现在运行时动态解析出该方法，然后执行。

invokestatic & invokespecial 对应的方法，都是在加载解析后，可以直接确定的。所以这些方法为非虚方法。

java规定 final修饰的是一种非虚方法。

分派

静态分派

先看一个例子：

package com.joyfulmath.jvmexample.dispatch;
import com.joyfulmath.jvmexample.TraceLog;
/**
* @author deman.lu
* @version on 2016-05-19 13:53
*/
public class StaticDispatch {
static abstract class Human{
}
static class Man extends Human{
}
static class Woman extends Human{
}
public void sayHello(Human guy)
{
TraceLog.i("Hello guy!");
}
public void sayHello(Man man)
{
TraceLog.i("Hello gentleman!");
}
public void sayHello(Woman man)
{
TraceLog.i("Hello lady!");
}
public static void action()
{
Human man = new Man();
Human woman = new Woman();
StaticDispatch dispatch = new StaticDispatch();
dispatch.sayHello(man);
dispatch.sayHello(woman);
}
}

05-19 13:58:05.538 14881-14881/com.joyfulmath.jvmexample I/StaticDispatch: sayHello: Hello guy! [at (StaticDispatch.java:24)]
05-19 13:58:05.539 14881-14881/com.joyfulmath.jvmexample I/StaticDispatch: sayHello: Hello guy! [at (StaticDispatch.java:24)]

结果执行了public void sayHello(Human guy)函数。这不是应该多态吗？

Human man = new Man();

这里的Human我们理解为静态类型，后面的Man是实际类型。我们在编译器只知道静态类型，后面的实际类型等到动态连接的时候才知道。

所以对于sayHello方法，虚拟机在重载时，是通过参数的静态类型，而不是实际类型来判断使用那个方法的。

如果对类型做强制转换：

    public static void action()
{
Human man = new Man();
Human woman = new Woman();
StaticDispatch dispatch = new StaticDispatch();
dispatch.sayHello(man);
dispatch.sayHello(woman);
dispatch.sayHello((Man)man);
dispatch.sayHello((Woman)woman);
}
05-19 14:08:29.000 21838-21838/com.joyfulmath.jvmexample I/StaticDispatch: sayHello: Hello guy! [at (StaticDispatch.java:24)]
05-19 14:08:29.001 21838-21838/com.joyfulmath.jvmexample I/StaticDispatch: sayHello: Hello guy! [at (StaticDispatch.java:24)]
05-19 14:08:29.001 21838-21838/com.joyfulmath.jvmexample I/StaticDispatch: sayHello: Hello gentleman! [at (StaticDispatch.java:29)]
05-19 14:08:29.002 21838-21838/com.joyfulmath.jvmexample I/StaticDispatch: sayHello: Hello lady! [at (StaticDispatch.java:34)]

如果强转了以后，类型也跟着变化了。

静态分配的典型应用是方法重载。但是方法重载有时候不是唯一的，所以只能选合适的。

比如：

    public void sayHello(int data)
{
TraceLog.i("Hello int!");
}
public void sayHello(long  data)
{
TraceLog.i("Hello long");
}

当sayHello（1）的时候，一般情况下会调用int型的方法，但是如果注释调，只有long型的方法，long型参数方法就会被调用。

动态分派

上面讲的是重载，这里是重写（@Override）

package com.joyfulmath.jvmexample.dispatch;
import com.joyfulmath.jvmexample.TraceLog;
/**
* @author deman.lu
* @version on 2016-05-19 14:26
*/
public class DynamicDispatch {
static abstract class Human{
protected abstract void sayHello();
}
static class Man extends Human{
@Override
protected void sayHello() {
TraceLog.i("Hello gentleman!");
}
}
static class Woman extends Human{
@Override
protected void sayHello() {
TraceLog.i("Hello lady!");
}
}
public static void action()
{
Human man = new Man();
Human woman = new Woman();
 man.sayHello();
woman.sayHello();
man = new Woman();
man.sayHello();
}
}

先来看上面标红的这句：方法要解析man 的sayhello，问题是man是什么东西，我在解析的时候，是不知道的。所以“man.sayHello();”具体执行的那个类的方法，是需要在虚拟机

动态连接的时候才知道，这个就是多态。如果使用javap分析就可以知道这句话，在class文件里面是ynamicDispatch$Human: sayHello. 是的class文件不知道这个sayhello到底要去

调哪个方法。

invokevirtual指令解析的过程大概如下：首先在操作数栈里第一个元素的实际类型，即为C。

如果在类型C中找到与常量描述符相同的类名和方法，则权限校验通过后，即为找到该法方法，则返回这个方法的直接引用。

否则，对C的父类进行依次查找。

这个过程通俗一点就是，先从当前类里面寻找“同名”的该方法，如果没有，就从C的父类里面找，知道找到为止！

这个找到的方法，就是我们实际要调的方法。

如果找不到，就是exception。一般情况下，编译工具会帮我们避免这种情况。

单分派和多分派

概念上理解比较麻烦，说白了一点就是重载和重写都存在的情况：

package com.joyfulmath.jvmexample.dispatch;
import com.joyfulmath.jvmexample.TraceLog;
/**
* @author deman.lu
* @version on 2016-05-19 15:02
*/
public class MultiDispatch {
static class QQ{}
static class _360{}
public static class Father{
public void hardChoice(QQ qq){
TraceLog.i("Father QQ");
}
public void hardChoice(_360 aa){
TraceLog.i("Father 360");
}
}
public static class Son extends Father{
public void hardChoice(QQ qq){
TraceLog.i("Son QQ");
}
public void hardChoice(_360 aa){
TraceLog.i("Son 360");
}
}
public static void action()
{
Father father = new Father();
Father son = new Son();
father.hardChoice(new _360());
son.hardChoice(new QQ());
}
}

05-19 15:07:44.429 29011-29011/com.joyfulmath.jvmexample I/MultiDispatch$Father: hardChoice: Father 360 [at (MultiDispatch.java:19)]
05-19 15:07:44.429 29011-29011/com.joyfulmath.jvmexample I/MultiDispatch$Son: hardChoice: Son QQ [at (MultiDispatch.java:25)]

结果没有任何悬念，但是过程还是需要明确的。hardChoice的选择是在静态编译的时候就确认的。

而son.hardchoise 已经确认了函数的类型，只是需要进一步确认实体类型。所以动态连接是单分派。

动态语言支持：

使用C++语言可以定义一个调用方法：

void sort（int list[],const int size，int （*compare）(int,int)）;

但是java很难做到这一点，

void sort（List list，Compare c);Compare 一般要用接口实现。

在java 1.7 有一种方法可以支持该功能 MethodHandle。

这部分内容，由于我本地环境无法配置还调用，将会再后续更新。

铺垫了这么多，下面来讲讲字节码的执行

6.基于栈的字节码执行引擎

基于栈的指令集和基于寄存器的指令集。

先看一个加法过程：

iconst_1

iadd

istore_0

这是基于栈的，也就是上文说的操作数栈。

先把2个元素要入栈，然后相加，放回栈顶，然后把栈顶的值存在slot 0里面。

基于寄存器的就不解释了。

基于寄存器和基于栈的指令集现在都存在。所以很难说孰优孰劣。

基于栈的指令集是和硬件无关的，而基于寄存器则依赖于硬件基础。基于寄存器在效率上优势。

但是虚拟机的出现，就是为了提供跨平台的支持，所以jvm的执行引擎是基于栈的指令集。

    public int calc()
{
int a = 100;
int b = 200;
int c = 300;
return (a+b)*c;
}

以下是javap的分析结果：

以下图片描述了整个执行过程中代码，操作数栈，& 局部变量表的变化。

这些过程只是一个概念模型，实际虚拟机会有很多优化的情况。

声明：本文相关图片来之参考书面，相关版权归原作者所有。

参考：

《深入理解java虚拟机》周志明