八、深入理解java虚拟机-虚拟机字节码执行引擎

一、概述

执行引擎在执行java代码的时候可能会有解释执行和编译执行；

输入字节码文件，处理过程是字节码解析的等效过程，输出的是执行结果。

二、运行时栈帧结构

栈帧：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的栈元素；栈帧存储了方法的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。

对于执行引擎来说，在活动线程中，只有位于栈顶的栈帧才是有效的称为当前栈帧，与这个栈帧相关的方法称为当前方法。

1、局部变量表

用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量；容量以变量槽为最小单位，没个slot都应该可以存放一个Boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress类型的数据；

虚拟机使用索引定位的方式使用局部变量表；

在方法执行时，虚拟机是使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。如果当前字节码的pc计数器的值已经超过了某个变量的作用域，那这个变量对应的slot就可以交给其他变量使用；

2、操作数栈

先入后出栈。

当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，即出栈/入栈操作。

3、动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。

4、方法返回地址

正常完成出口、异常完成出口。一般来说，方法正常退出时，调用者的pc计数器的值可以作为返回地址，栈帧中可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回的地址要通过异常处理表确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值压入调用者栈帧的操作数中，调整pc计数器的值以指向方法调用指令后边的一条指令。

5、附加信息

三、方法调用

确定被调用方法的版本。一切方法调用在class文件里边存储的都是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口。

java虚拟机中提供的5条方法调用字节码指令：

    invokestatic：调用静态方法

    invokespecial：调用实例构造器<init>方法、私有方法和父类方法

    invokeirtual：调用所有的虚方法

    invokeinterface:调用接口方法

    invokedynamic：先在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法

1、解析调用

在类加载的解析阶段，会将一部分符号引用转换为直接引用。解析成立的前提：编译期可知，运行期不可变。只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段确定唯一的版本；符合这个条件的有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法；

2、分派调用

1>静态分派（重载通过参数的静态类型判断）

静态类型：变化仅在使用时发生，变量本身的静态类型不会改变，并且最终的静态类型是在编译期可知的；

实际类型：变化结构在运行期时才可以确定，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；

2>动态分派（重写）

invokevirtual指令的多态查找：

    找到操作数栈顶的第一的元素指向的对象的实际类型，记作c（运行期确定接收者的实际类型）；

    如果在类型c中找到与产量中的描述符合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，查找结束；如果不通过，返回异常；

    否则按照继承关系从下往上依次对c的各个父类进行上一步的搜索和验证；如果始终没有找到合适的方法，抛出异常；

3>单分派和多分派

方法的接收者与方法的参数统称为方法的宗量；

静态分派属于多分派；动态分派属于单分派类型；

四、基于栈的字节码解释执行引擎

1、解释执行

2、基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

3、基于栈的解释器执行过程