深入理解Java虚拟机 | 第六篇：虚拟机字节码执行引擎

执行引擎是Java虚拟机最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、硬件、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此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。

一：运行时栈帧结构

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、方法返回地址和附加信息。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。

二：局部变量表

局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，虚拟机规范中并没有明确指明一个Slot暂用的内存空间大小，只是很有“导向性”地说明每个Slot都应该能存放一个32位以内的boolean,byte,char,short,int,float,refrence,returnAddress这8种类型的数据。

对于64位的数据类型，虚拟机会以高位在前的方式为其分配两个连续的Slot空间。Java语言中明确的（reference类型则可能是32位也可能是64位）64位的数据类型只有long和double两种。

虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值的范围是从0开始至局部变量表最大的Slot数量。如果访问的是32位数据类型的变量，索引n就代表了使用第n个Slot，如果是64位数据类型的变量，则说明会同时使用n和n+1两个Slot。对于两个相邻的共同存放一个64位数据的两个Slot，不允许采用任何方式单独访问其中的某一个，Java虚拟机规范中明确要求了如果遇到进行这种操作的字节码序列，虚拟机应该在类加载的校验阶段抛出异常。

三：操作数栈

后进先出（Last-In-First-Out），也可以称之为表达式栈（Expression Stack）。操作数栈和局部变量表在访问方式上存在着较大差异，操作数栈并非采用访问索引的方式来进行数据访问的，而是通过标准的入栈和出栈操作来完成一次数据访问。每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，一个32bit的数值可以用一个单位的栈深度来存储，而2个单位的栈深度则可以保存一个64bit的数值，当然操作数栈所需的容量大小在编译期就可以被完全确定下来，并保存在方法的Code属性中。

请看下面的执行加法运算的字节码指令：

public void testAddOperation();  
         Code:  
          0: bipush        15  
     2: istore_1  
     3: bipush        8  
     5: istore_2  
     6: iload_1  
     7: iload_2  
     8: iadd  
     9: istore_3  
     10: return 

在上述字节码指令示例中，首先会由“bipush”指令将数值15从byte类型转换为int类型后压入操作数栈的栈顶（对于byte、short和char类型的值在入栈之前，会被转换为int类型），当成功入栈之后，“istore_1”指令便会负责将栈顶元素出栈并存储在局部变量表中访问索引为1的Slot上。接下来再次执行“bipush”指令将数值8压入栈顶后，通过“istore_2”指令将栈顶元素出栈并存储在局部变量表中访问索引为2的Slot上。“iload_1”和“iload_2”指令会负责将局部变量表中访问索引为1和2的Slot上的数值15和8重新压入操作数栈的栈顶，紧接着“iadd”指令便会将这2个数值出栈执行加法运算后再将运算结果重新压入栈顶，“istore_3”指令会将运算结果出栈并存储在局部变量表中访问索引为3的Slot上。最后“return”指令的作用就是方法执行完成之后的返回操作。在操作数栈中，一项运算通常由多个子运算（subcomputation）嵌套进行，一个子运算过程的结果可以被其他外围运算所使用。

四：动态链接

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）。我们知道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中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转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

五：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（Normal Method Invocation Completion）。

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（Abrupt Method Invocation Completion）。

六：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。

七：方法调用

方法调用并不等同于方法执行，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，但我们知道，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）。

7.1、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，会将其中的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。换句话说，调用目标在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析（Resolution）。在Java语言中符合“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，这两种方法各自的特点决定了它们都不可能通过继承或别的方式重写其他版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。

7.2、分派：众所周知，Java是一门面向对象的程序语言，因为Java具备面向对象的3个基本特征：继承、封装和多态。其中分派调用过程将会揭示多态性特征的一些最基本的体现，如“重载”和“重写”在Java虚拟机之中是如何实现的，这里的实现当然不是语法上该如何写，我们关心的依然是虚拟机如何确定正确的目标方法。

7.2.1、静态分派：

/**
 * @author 2018年7月6日15:53:21
 */
public class StaticDispatchTest {

        static abstract class Human{
        }
        static class Man extends Human{
        }
        static class Woman extends Human{
        }
        public void sayHello(Human guy){
            System.out.println("hello,guy！");
        }
        public void sayHello(Man guy){
            System.out.println("hello,gentleman！");
        }
        public void sayHello(Woman guy){
            System.out.println("hello,lady！");
        }
        public static void main(String[]args){
            Human man=new Man();
            Human woman=new Woman();
            StaticDispatchTest sr=new StaticDispatchTest();
            sr.sayHello(man);
            sr.sayHello(woman);
        }
}

输出结果：

我们把上面代码中的“Human”称为变量的静态类型（Static Type），或者叫做的外观类型（Apparent Type），后面的“Man”则称为变量的实际类型（Actual Type），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。

 public static void main(String[]args){
            Human man=new Man();
            Human woman=new Woman();
            StaticDispatchTest sr=new StaticDispatchTest();
            sr.sayHello((Man) man);
            sr.sayHello((Woman) woman);
        }

那么输出结果就是：

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。静态分派的典型应用是方法重载。

重装方法按照一定的优先级进行匹配，顺序按照虚拟机能够把你传进去的量进行自动类型转换的优先级，请看下面代码：

/**
 * @author 2018年7月6日16:25:26
 */
public class OverLoadTest {
        public static void sayHello(Object arg){
            System.out.println("hello Object");
        }
        public static void sayHello(int arg){
            System.out.println("hello int");
        }
        public static void sayHello(long arg){
            System.out.println("hello long");
        }
        public static void sayHello(Character arg){
            System.out.println("hello Character");
        }
        public static void sayHello(char arg){
            System.out.println("hello char");
        }
        public static void sayHello(char... arg){
            System.out.println("hello char……");
        }
        public static void sayHello(Serializable arg){
            System.out.println("hello Serializable");
        }
        public static void main(String[]args){
            sayHello('a');
        }
}

上面这行代码，每次注释掉不同的方法，得出的输出结果完全不同，系统进行类型转换，按照匹配的类型进行输出。

7.2.2、动态分派：了解了静态分派，我们接下来看一下动态分派的过程，它和多态性的另外一个重要体现 ——重写（Override）有着很密切的关联。

/**
 * 演示动态分配
 * @author 2018年7月6日16:33:58
 */
public class DynamicDispatchTest {

    static abstract class Human{
        protected abstract void sayHello();
    }
    static class Man extends Human{
        @Override
        protected void sayHello(){
            System.out.println("man say hello");
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        @Override
        protected void sayHello(){
            System.out.println("woman say hello");
        }
    }
    public static void main(String[]args){
        Human man=new Man();
        Human woman=new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
        man=new Woman();
        man.sayHello();
    }
}

输出结果：

那么虚拟机如何知道要调用哪个方法呢?

我们之前文章讲过字节码指令，我们在调用方法的时候会生成invokevirtual指令，这个指令执行步骤如下：

1）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。
2）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；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
3）否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。

4）如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。

由于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，所以两次调用中的invokevirtual指令把常量池中的类方法符号引用解析到了不同的直接引用上，这个过程就是Java语言中方法重写的本质。我们把这种在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。

7.2.3、单分派和多分派

/**
 * 测试单分派多分派
 * @author 2018年7月6日16:51:23
 */
public class SingleOrMoreDispatchTest {
    static class QQ{}
    static class _360{}
    public static class Father{
        public void hardChoice(QQ arg){
            System.out.println("father choose qq");
        }
        public void hardChoice(_360 arg){
            System.out.println("father choose 360");
        }
    }
    public static class Son extends Father{
        @Override
        public void hardChoice(QQ arg){
            System.out.println("son choose qq");
        }
        @Override
        public void hardChoice(_360 arg){
            System.out.println("son choose 360");
        }
    }
    public static void main(String[]args){
        Father father=new Father();
        Father son=new Son();
        father.hardChoice(new _360());
        son.hardChoice(new QQ());
    }

}

来看看编译阶段编译器的选择过程，也就是静态分派的过程。这时选择目标方法的依据有两点：一是静态类型是Father还是Son，二是方法参数是QQ还是360。这次选择结果的最终产物是产生了两条invokevirtual指令，两条指令的参数分别为常量池中指向Father.hardChoice（360）及Father.hardChoice（QQ）方法的符号引用。因为是根据两个宗量进行选择，所以Java语言的静态分派属于多分派类型。

再看看运行阶段虚拟机的选择，也就是动态分派的过程。在执行“son.hardChoice（newQQ（））”这句代码时，更准确地说，是在执行这句代码所对应的invokevirtual指令时，由于编译期已经决定目标方法的签名必须为hardChoice（QQ），虚拟机此时不会关心传递过来的参数“QQ”到底是“腾讯QQ”还是“奇瑞QQ”，因为这时参数的静态类型、实际类型都对方法的选择不会构成任何影响，唯一可以影响虚拟机选择的因素只有此方法的接受者的实际类型是Father还是Son。因为只有一个宗量作为选择依据，所以Java语言的动态分派属于单分派类型。

7.2.4、虚拟机动态分配的实现

由于动态分派是非常频繁的动作，而且动态分派的方法版本选择过程需要运行时在类的方法元数据中搜索合适的目标方法，因此在虚拟机的实际实现中基于性能的考虑，大部分实现都不会真正地进行如此频繁的搜索。面对这种情况，最常用的“稳定优化”手段就是为类在方法区中建立一个虚方法表（Vritual  Method  Table，也称为vtable，与此对应的，在invokeinterface执行时也会用到接口方法表——Inteface Method Table，简称itable），使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能。

虚方法表中存放着各个方法的实际入口地址。如果某个方法在子类中没有被重写，那子类的虚方法表里面的地址入口和父类相同方法的地址入口是一致的，都指向父类的实现入口。如果子类中重写了这个方法，子类方法表中的地址将会替换为指向子类实现版本的入口地址。

八：基于栈的字节码解释执行引擎

许多Java虚拟机的执行引擎在执行Java代码的时候都有解释执行（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。

Java语言中，Javac编译器完成了程序代码经过词法分析、语法分析到抽象语法树，再遍历语法树生成线性的字节码指令流的过程。因为这一部分动作是在Java虚拟机之外进行的，而解释器在虚拟机的内部，所以Java程序的编译就是半独立的实现。中间的那条分支，自然就是解释执行的过程。

九：基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

基于栈的指令集主要的优点就是可移植，寄存器由硬件直接提供 ，程序直接依赖这些硬件寄存器则不可避免地要受到硬件的约束。例如，现在32位80x86体系的处理器中提供了8个32位的寄存器，而ARM体系的CPU（在当前的手机、PDA中相当流行的一种处理器）则提供了16个32位的通用寄存器。如果使用栈架构的指令集，用户程序不会直接使用这些寄存器，就可以由虚拟机实现来自行决定把一些访问最频繁的数据（程序计数器、栈顶缓存等）放到寄存器中以获取尽量好的性能，这样实现起来也更加简单一些。栈架构的指令集还有一些其他的优点，如代码相对更加紧凑（字节码中每个字节就对应一条指令，而多地址指令集中还需要存放参数）、编译器实现更加简单（不需要考虑空间分配的问题，所需空间都在栈上操作）等。

虽然栈架构指令集的代码非常紧凑，但是完成相同功能所需的指令数量一般会比寄存器架构多，因为出栈、入栈操作本身就产生了相当多的指令数量。更重要的是，栈实现在内存之中，频繁的栈访问也就意味着频繁的内存访问，相对于处理器来说，内存始终是执行速度的瓶颈。尽管虚拟机可以采取栈顶缓存的手段，把最常用的操作映射到寄存器中避免直接内存访问，但这也只能是优化措施而不是解决本质问题的方法。由于指令数量和内存访问的原因，所以导致了栈架构指令集的执行速度会相对较慢。所以主流物理机的指令集都是寄存器架构。