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

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