HotSpot虛擬機之字節碼執行引擎

一、棧幀

1. 棧幀結構

2.?基于棧的解釋執行過程

二、方法調用

1. 方法調用指令

2. 分派

三、動態類型語言

四、參考資料

一、棧幀

1. 棧幀結構

????????棧幀是Java虛擬機棧進行方法調用和執行的數據結構，是方法最基本的執行單元，是棧的元素。一個棧幀分配多大內存，則不受運行期影響，由程序源碼和占內存布局決定（內存大小編譯期可知）。每一個方法的調用開始和結束，都對應JVM棧的元素（棧幀）的入棧和出棧。

????????處于Java虛擬機棧頂的棧幀，稱為“當前棧幀”；當前棧幀所關聯的方法，稱為“當前方法”。從Java程序層面看，同一時刻、同一線程里，棧的所有方法都處于執行狀態；從執行引擎層面看，只有處于棧頂的方法才是執行狀態。

? ? ? ? 棧幀的結構包含：局部變量表、操作數棧、動態連接、返回地址、附加信息，如下表所示。注意：方法調用時，用局部變量表完成參數值到參數變量列表的傳遞過程，即：實參到形參的傳遞。

棧幀結構	作用	特點
局部變量表 (Local?Variables?Table)	變量值的存儲空間	1.存儲：方法參數及方法定義的局部變量； 2.局部變量表容量以變量槽（slot）為最小單位； 3.方法Code屬性max_locals決定最大容量(slot數量)； 4.每個slot都能存儲boolean、byte、char、short、int、float、returnAddress類型的數據； 5.64位JVM時，只有long、double會以高位對齊的方式分配兩個連續的slot空間； 6.實例方法時，第0位slot是this參數；其他：方法參數、方法局部變量的順序； 7.slot被回收重用的根本原因：slot中是否還存有對象的引用或值。
操作數棧 (Operand?Stack)	操作數據的棧	1.JVM解釋執行引擎稱為“基于棧的操作引擎”； 2.棧的最大深度由編譯器Code屬性的max_stacks決定； 3.字節碼指令往棧中寫入和讀取操作數，即：操作數的入棧和出棧； 4.棧中元素數據類型與字節碼指令的類型必須嚴格匹配； 5.模型中JVM棧的元素（棧幀）是相互獨立的，但是JVM實際優化時，可能會有重疊區域。
動態連接 (Dynamic?Linking)	棧幀所屬方法的引用	1.每個棧幀都包含一個指向常量池該棧幀所屬方法的引用（反過來，字節碼的方法調用以常量池的符號引用作為參數）； 2.靜態解析：編譯器符號引用轉直接引用； ??動態連接：每次運行時符號引用轉直接引用。
返回地址 (Return?Address)	返回給方法調用者	1.兩種方式退出當前方法： ??“正常調用完成”：執行引擎遇到方法的返回指令； ??“異常調用完成”：當前方法的異常表中沒有搜索到匹配的異常，則異常退出（不會有任何返回值）； 2.方法正常退出時，一般主調方法的PC計數值可作為返回地址，若有返回值則壓入主調方法的棧幀中；
附加信息	其他信息	如調試、性能收集相關的信息

????????其中，reference數據類型的作用： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

根據直接引用或間接引用查找到堆中實例對象的起始地址或索引； ??
根據直接引用或間接引用查找到元空間（方法區）的類型信息（反射機制獲取Class信息）；?

2.?基于棧的解釋執行過程

????????指令集架構分類如下，Java是基于棧的指令集架構。

基于棧的指令集架構：字節碼指令流大部分都是零地址指令，依賴操作數棧工作，其優點：可移植； ??
基于寄存器的指令集架構：依賴于寄存器來訪問和存儲數據，如：主流PC機（x86二地址指令集）

????????執行字節碼有兩種選擇（或兩著兼備）：解釋執行（解釋器）、編譯執行（即時編譯產生本地機器代碼），下面是基于棧的解釋執行過程實例、源碼和class文件如下。指令含義參考《HotSpot虛擬機之Class文件及字節碼指令》。

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

  public int calc();descriptor: ()Iflags: ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: bipush        1002: istore_13: bipush        1005: istore_26: bipush        1008: istore_39: iload_110: iload_211: iadd12: iload_313: imul14: ireturnLineNumberTable:line 29: 0line 30: 3line 31: 6line 32: 9LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      15     0  this   Lcom/cmmon/instance/classLoad/NotInitialization;3      12     1     a   I6       9     2     b   I9       6     3     c   I

二、方法調用

1. 方法調用指令

????????方法調用階段唯一目的是確定被調用方法的版本，即：調用哪個方法，其指令有5種：invokestatic、invokespecial、invokevirtual、invokeinterface、invokedynamic，如下表所示。

方法調用指令	特點
invokestatic	作用：調用靜態方法；
invokespecial	作用：調用實例構造器<init>()方法、私有方法、父類中的方法；
invokevirtual	1.作用：調用所有的虛方法； 2.該指令：動態分派實現方法復寫。
invokeinterface	作用：調用接口方法，運行時確定一個實現該接口的方法；
invokedynamic	1.作用：動態調用方法； 2.運行時動態解析動態解析調用點限定符所引用的方法，再去執行；
注意： ???a.invokestatic、invokespecial、invokevirtual、invokeinterface其分派邏輯固化在JVM內部；而invokedynamic分派邏輯由用戶設定的引導方法來決定； ???b.只要能被invokestatic、invokespecial調用的方法，在編譯器可以確定方法版本，如：靜態、實例構造器<init>()、私有、父類、final修飾的方法； ???c.final修飾的方法雖然用invokevirtual調用，但它是非虛方法。

????????invokevirtual指令不僅把常量池的方法符號引用解析為直接引用，同時根據方法接收者的實際類型來選擇方法版本。invokevirtual指令解析過程，如下步驟：

step1：找到操作數棧頂元素指向的對象的實際類型C；
step2：類型C中查找與當前常量池匹配的方法時，且訪問權限校驗，通過則返回該方法，查找結束；否則拋出異常：java.lang.IllegalAccessError；
step3：否則，從下往上的繼承關系對C的父類，進行搜索和驗證；
step4：否則，沒有查找到匹配的方法，拋出異常：java.lang.AbstractMethodError。

2. 分派

????????分派揭示Java多態性的實現，即：如重載、重寫是如何實現。其分類：靜態分派、動態分派或是單分派、多分派，如下表所示。

分派分類	概念	應用	特點
靜態分派	所有依賴靜態類型來決定方法版本的分派動作	方法重載	1.靜態分派發生在編譯期； 2.重載版本多個時，選擇最合適的順序：自動類型轉換、自動裝箱、裝箱實現接口、父類（從下往上）、可變參數方法。
動態分派	運行期根據實際類型來決定方法版本的分派動作	方法重寫	1.動態分派發生在運行期； 2.由invokevirtual指令實現。
注意： ???a.只有方法有多態，而字段永遠不參與多態; ???b.變量的“靜態類型”和“實際類型”：（都可能變化，但是變化時期不同） ? ? ? 靜態類型：變化在使用時發生，且變量本身的類型不會改變，且最終在編譯期可知； ? ? ? 實際類型：變化結果在運行期確定，編譯期不知道一個對象的實際類型是什么； ???c.類型“寬化轉換”：chart?>?int?>?long?>?float?>?double（不會匹配byte、short類型）； ???d.“方法的宗量”：方法接收者、方法的參數： ? ? ? ?單分派：根據一個宗量對目標方法進行選擇； ? ? ? ?多分派：根據多于一個宗量對目標方法進行選擇。