基于栈的字节码解释执行引擎

1、解释执行

Java语言经常被人们定位为“解释执行”的语言，在Java初生的JDK1.0时代，这种定义还算是比较准确的，但当主流的虚拟机中都包含了即时编译器后，Class文件中的代码到底会被解释执行还是编译执行，就成了只有虚拟机自己才能准备判断的事情。

无论是解释还是编译，也无论是物理机还是虚拟机，对于应用程序，机器都不可能如人那样阅读、理解，然后获得执行能力。大部分的程序代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都需要进过如下图所示的各个步骤。

2、基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

Javac编译器输出的字节码指令流，基本上是一种基于栈的指令集架构（Instruction Set Architecture，ISA），字节码指令流里面的指令大部分都是零地址指令，它们依赖操作数栈进行工作。与之相对的另外一套常用的指令集架构是基于寄存器的指令集，最典型的就是x86的二地址指令集，如果说得更通俗一些就是现在我们主流PC机中物理硬件直接支持的指令集架构，这些指令依赖寄存器进行工作。

基于栈的指令集主要优点是可移植，因为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。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。

栈架构指令集的主要缺点是理论上执行速度相对来说会稍慢一些。在解释执行时，完成相同功能所需的指令数量一般会比寄存器架构来得更多，因为出栈、入栈操作本身就产生了相当大量的指令。栈实现在内存中，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优化方法，把最常用的操作映射到寄存器中避免直接内存访问，但这也只是优化措施而不是解决本质问题的方法。因此由于指令数量和内存访问的原因，导致了栈架构指令集的执行速度会相对慢上一点。

3、基于栈的解释器执行过程

写一段简单的算术代码，代码如下图所示：

这段代码使用javap命令来查看它的字节码指令，指令如下图所示：

javap提示这段代码需要深度为2的操作数栈和4个变量槽的局部变量空间。接下来就根据这些信息画了7张图片，来描述执行过程中的代码、操作数栈和局部变量表的变化情况。

首先，执行偏移地址为0的指令，Bipush指令的作用是将单字节的整型常量值（-128～127）推入操作数栈顶，跟随有一个参数，指明推送的常量值，这里是100。

执行偏移地址为2的指令，istore_1指令的作用是将操作数栈顶的整型值出栈并存放到第1个局部变 量槽中。后续4条指令（直到偏移为11的指令为止）都是做一样的事情，也就是在对应代码中把变量 a、b、c赋值为100、200、300。

执行偏移地址为11的指令，iload_1指令的作用是将局部变量表第1个变量槽中的整型值复制到操作数栈顶。

执行偏移地址为12的指令，iload_2指令的执行过程与iload_1类似，把第2个变量槽的整型值入栈。画出这个指令的图示主要是为了显示下一条iadd指令执行前的堆栈状况。

执行偏移地址为13的指令，iadd指令的作用是将操作数栈中头两个栈顶元素出栈，做整型加法，然后把结果重新入栈。在iadd指令执行完毕后，栈中原有的100和200被出栈，它们的和300被重新入栈。

执行偏移地址为14的指令，iload_3指令把存放在第3个局部变量槽中的300入栈到操作数栈中。这 时操作数栈为两个整数300。下一条指令imul是将操作数栈中头两个栈顶元素出栈，做整型乘法，然后 把结果重新入栈。

执行偏移地址为16的指令，ireturn指令是方法返回指令之一，它将结束方法执行并将操作数栈顶的整型值返回给该方法的调用者。到此为止，这段方法执行结束。