深入理解JVM虛擬機(jī)5：虛擬機(jī)字節(jié)碼執(zhí)行引擎

對于64位的數(shù)據(jù)類型（Java語言中明確的64位數(shù)據(jù)類型只有l(wèi)ong和double），虛擬機(jī)會以高位對齊的方式為其分配兩個連續(xù)的Slot空間。

虛擬機(jī)通過索引定位的方式使用局部變量表，索引值的范圍從0開始至局部變量表最大的Slot數(shù)量。訪問的是32位數(shù)據(jù)類型的變量，索引n就代表了使用第n個Slot,如果是64位數(shù)據(jù)類型，就代表會同時使用n和n+1這兩個Slot。

為了節(jié)省棧幀空間，局部變量Slot可以重用，方法體中定義的變量，其作用域并不一定會覆蓋整個方法體。如果當(dāng)前字節(jié)碼PC計數(shù)器的值超出了某個變量的作用域，那么這個變量的Slot就可以交給其他變量使用。這樣的設(shè)計會帶來一些額外的副作用，比如：在某些情況下，Slot的復(fù)用會直接影響到系統(tǒng)的收集行為。

2.2 操作數(shù)棧

操作數(shù)棧（Operand Stack） 也常稱為操作棧，它是一個 后入先出棧。當(dāng)一個方法執(zhí)行開始時，這個方法的操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行過程中，會有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫入和提取內(nèi)容，也就是 出棧/入棧操作。

在概念模型中，一個活動線程中兩個棧幀是相互獨(dú)立的。但大多數(shù)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)都會做一些優(yōu)化處理：讓下一個棧幀的部分操作數(shù)棧與上一個棧幀的部分局部變量表重疊在一起，這樣的好處是方法調(diào)用時可以共享一部分?jǐn)?shù)據(jù)，而無須進(jìn)行額外的參數(shù)復(fù)制傳遞。

2.3 動態(tài)連接

每個棧幀都包含一個指向運(yùn)行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支持方法調(diào)用過程中的 動態(tài)連接；

字節(jié)碼中方法調(diào)用指令是以常量池中的指向方法的符號引用為參數(shù)的，有一部分符號引用會在類加載階段或第一次使用的時候轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化稱為 靜態(tài)解析，另外一部分在每次的運(yùn)行期間轉(zhuǎn)化為直接引用，這部分稱為 動態(tài)連接。

2.4 方法返回地址

當(dāng)一個方法被執(zhí)行后，有兩種方式退出這個方法：

• 第一種是執(zhí)行引擎遇到任意一個方法返回的字節(jié)碼指令，這種退出方法的方式稱為 正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。

• 另外一種是在方法執(zhí)行過程中遇到了異常，并且這個異常沒有在方法體內(nèi)得到處理（即本方法異常處理表中沒有匹配的異常處理器），就會導(dǎo)致方法退出，這種退出方式稱為 異常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。
  注意：這種退出方式不會給上層調(diào)用者產(chǎn)生任何返回值。

無論采用何種退出方式，在方法退出后，都需要返回到方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行，方法返回時可能需要在棧幀中保存一些信息，用來幫助恢復(fù)它的上層方法的執(zhí)行狀態(tài)。一般來說，方法正常退出時，調(diào)用者的PC計數(shù)器的值可以作為返回地址，棧幀中很可能會保存這個計數(shù)器值。而方法異常退出時，返回地址是通過異常處理器表來確定的，棧幀中一般不會保存這部分信息。

方法退出的過程實(shí)際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此退出時可能執(zhí)行的操作有：恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧，把返回值（如果有的話）壓入調(diào)用者棧幀的操作數(shù)棧中，調(diào)整PC計數(shù)器的值以指向方法調(diào)用指令后面的一條指令等。

2.5 附加信息

虛擬機(jī)規(guī)范允許虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)向棧幀中添加一些自定義的附加信息，例如與調(diào)試相關(guān)的信息等。

3 方法調(diào)用

方法調(diào)用階段的目的： 確定被調(diào)用方法的版本（哪一個方法），不涉及方法內(nèi)部的具體運(yùn)行過程，在程序運(yùn)行時，進(jìn)行方法調(diào)用是最普遍、最頻繁的操作。

一切方法調(diào)用在Class文件里存儲的都只是符號引用，這是需要在類加載期間或者是運(yùn)行期間，才能確定為方法在實(shí)際 運(yùn)行時內(nèi)存布局中的入口地址（相當(dāng)于之前說的直接引用）。

3.1 解析

“編譯期可知，運(yùn)行期不可變”的方法（靜態(tài)方法和私有方法），在類加載的解析階段，會將其符號引用轉(zhuǎn)化為直接引用（入口地址）。這類方法的調(diào)用稱為“ 解析（Resolution）”。

在Java虛擬機(jī)中提供了5條方法調(diào)用字節(jié)碼指令：

• invokestatic : 調(diào)用靜態(tài)方法
• invokespecial:調(diào)用實(shí)例構(gòu)造器方法、私有方法、父類方法
• invokevirtual:調(diào)用所有的虛方法
• invokeinterface:調(diào)用接口方法，會在運(yùn)行時在確定一個實(shí)現(xiàn)此接口的對象
• invokedynamic:先在運(yùn)行時動態(tài)解析出點(diǎn)限定符所引用的方法，然后再執(zhí)行該方法，在此之前的4條調(diào)用命令的分派邏輯是固化在Java虛擬機(jī)內(nèi)部的，而invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的。

3.2 分派

分派調(diào)用過程將會揭示多態(tài)性特征的一些最基本的體現(xiàn)，如“重載”和“重寫”在Java虛擬中是如何實(shí)現(xiàn)的。

1 靜態(tài)分派

所有依賴靜態(tài)類型來定位方法執(zhí)行版本的分派動作，都稱為靜態(tài)分派。靜態(tài)分派發(fā)生在編譯階段。

靜態(tài)分派最典型的應(yīng)用就是方法重載。

package jvm8_3_2;
public class StaticDispatch {
    static abstract class Human {
    }
    static class Man extends Human {
    }
    static class Woman extends Human {
    }
    public void sayhello(Human guy) {
        System.out.println("Human guy");
    }
    public void sayhello(Man guy) {
        System.out.println("Man guy");
    }
    public void sayhello(Woman guy) {
        System.out.println("Woman guy");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        StaticDispatch staticDispatch = new StaticDispatch();
        staticDispatch.sayhello(man);// Human guy
        staticDispatch.sayhello(woman);// Human guy
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

Human guy

Human guy

為什么會出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？

Human man = new Man();其中的Human稱為變量的 靜態(tài)類型（Static Type）,Man稱為變量的 實(shí)際類型（Actual Type）。
兩者的區(qū)別是：靜態(tài)類型在編譯器可知，而實(shí)際類型到運(yùn)行期才確定下來。
在重載時通過參數(shù)的靜態(tài)類型而不是實(shí)際類型作為判定依據(jù)，因此，在編譯階段，Javac編譯器會根據(jù)參數(shù)的靜態(tài)類型決定使用哪個重載版本。所以選擇了sayhello(Human)作為調(diào)用目標(biāo)，并把這個方法的符號引用寫到main()方法里的兩條invokevirtual指令的參數(shù)中。

2 動態(tài)分派

在運(yùn)行期根據(jù)實(shí)際類型確定方法執(zhí)行版本的分派過程稱為動態(tài)分派。最典型的應(yīng)用就是方法重寫。

package jvm8_3_2;
public class DynamicDisptch {
    static abstract class Human {
        abstract void sayhello();
    }
    static class Man extends Human {
        @Override
        void sayhello() {
            System.out.println("man");
        }
    }
    static class Woman extends Human {
        @Override
        void sayhello() {
            System.out.println("woman");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayhello();
        woman.sayhello();
        man = new Woman();
        man.sayhello();
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

man

woman

woman

3 單分派和多分派

方法的接收者、方法的參數(shù)都可以稱為方法的宗量。根據(jù)分批基于多少種宗量，可以將分派劃分為單分派和多分派。 單分派是根據(jù)一個宗量對目標(biāo)方法進(jìn)行選擇的，多分派是根據(jù)多于一個的宗量對目標(biāo)方法進(jìn)行選擇的。

Java在進(jìn)行靜態(tài)分派時，選擇目標(biāo)方法要依據(jù)兩點(diǎn)：一是變量的靜態(tài)類型是哪個類型，二是方法參數(shù)是什么類型。因?yàn)橐鶕?jù)兩個宗量進(jìn)行選擇，所以Java語言的靜態(tài)分派屬于多分派類型。

運(yùn)行時階段的動態(tài)分派過程，由于編譯器已經(jīng)確定了目標(biāo)方法的簽名（包括方法參數(shù)），運(yùn)行時虛擬機(jī)只需要確定方法的接收者的實(shí)際類型，就可以分派。因?yàn)槭歉鶕?jù)一個宗量作為選擇依據(jù)，所以Java語言的動態(tài)分派屬于單分派類型。

注：到JDK1.7時，Java語言還是靜態(tài)多分派、動態(tài)單分派的語言，未來有可能支持動態(tài)多分派。

4 虛擬機(jī)動態(tài)分派的實(shí)現(xiàn)

由于動態(tài)分派是非常頻繁的動作，而動態(tài)分派在方法版本選擇過程中又需要在方法元數(shù)據(jù)中搜索合適的目標(biāo)方法，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)出于性能的考慮，通常不直接進(jìn)行如此頻繁的搜索，而是采用優(yōu)化方法。

其中一種“穩(wěn)定優(yōu)化”手段是：在類的方法區(qū)中建立一個 虛方法表（Virtual Method Table, 也稱vtable, 與此對應(yīng)，也存在接口方法表——Interface Method Table，也稱itable）。 使用虛方法表索引來代替元數(shù)據(jù)查找以提高性能。其原理與C++的虛函數(shù)表類似。

虛方法表中存放的是各個方法的實(shí)際入口地址。如果某個方法在子類中沒有被重寫，那子類的虛方法表里面的地址入口和父類中該方法相同，都指向父類的實(shí)現(xiàn)入口。虛方法表一般在類加載的連接階段進(jìn)行初始化。

3.3 動態(tài)類型語言的支持

JDK新增加了invokedynamic指令來是實(shí)現(xiàn)“動態(tài)類型語言”。

靜態(tài)語言和動態(tài)語言的區(qū)別：

• 靜態(tài)語言（強(qiáng)類型語言）：
  靜態(tài)語言是在編譯時變量的數(shù)據(jù)類型即可確定的語言，多數(shù)靜態(tài)類型語言要求在使用變量之前必須聲明數(shù)據(jù)類型。
  例如：C++、Java、Delphi、C#等。
• 動態(tài)語言（弱類型語言） ：
  動態(tài)語言是在運(yùn)行時確定數(shù)據(jù)類型的語言。變量使用之前不需要類型聲明，通常變量的類型是被賦值的那個值的類型。
  例如PHP/ASP/Ruby/Python/Perl/ABAP/SQL/JavaScript/Unix Shell等等。
• 強(qiáng)類型定義語言 ：
  強(qiáng)制數(shù)據(jù)類型定義的語言。也就是說，一旦一個變量被指定了某個數(shù)據(jù)類型，如果不經(jīng)過強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，那么它就永遠(yuǎn)是這個數(shù)據(jù)類型了。舉個例子：如果你定義了一個整型變量a,那么程序根本不可能將a當(dāng)作字符串類型處理。強(qiáng)類型定義語言是類型安全的語言。
• 弱類型定義語言 ：
  數(shù)據(jù)類型可以被忽略的語言。它與強(qiáng)類型定義語言相反, 一個變量可以賦不同數(shù)據(jù)類型的值。強(qiáng)類型定義語言在速度上可能略遜色于弱類型定義語言，但是強(qiáng)類型定義語言帶來的嚴(yán)謹(jǐn)性能夠有效的避免許多錯誤。

4 基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎

虛擬機(jī)如何調(diào)用方法的內(nèi)容已經(jīng)講解完畢，現(xiàn)在我們來探討虛擬機(jī)是如何執(zhí)行方法中的字節(jié)碼指令。

4.1 解釋執(zhí)行

Java語言經(jīng)常被人們定位為 “解釋執(zhí)行”語言，在Java初生的JDK1.0時代，這種定義還比較準(zhǔn)確的，但當(dāng)主流的虛擬機(jī)中都包含了即時編譯后，Class文件中的代碼到底會被解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行，就成了只有虛擬機(jī)自己才能準(zhǔn)確判斷的事情。再后來，Java也發(fā)展出來了直接生成本地代碼的編譯器[如何GCJ（GNU Compiler for the Java）]，而C/C++也出現(xiàn)了通過解釋器執(zhí)行的版本（如CINT），這時候再籠統(tǒng)的說“解釋執(zhí)行”，對于整個Java語言來說就成了幾乎沒有任何意義的概念， 只有確定了談?wù)搶ο笫悄撤N具體的Java實(shí)現(xiàn)版本和執(zhí)行引擎運(yùn)行模式時，談解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行才會比較確切。

Java語言中，javac編譯器完成了程序代碼經(jīng)過詞法分析、語法分析到抽象語法樹，再遍歷語法樹生成線性的字節(jié)碼指令流的過程，因?yàn)檫@一部分動作是在Java虛擬機(jī)之外進(jìn)行的，而解釋器在虛擬機(jī)內(nèi)部，所以Java程序的編譯就是半獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的，

4.2 基于棧的指令集和基于寄存器的指令集

Java編譯器輸出的指令流，基本上是一種 基于棧的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA）， 依賴操作數(shù)棧進(jìn)行工作。與之相對應(yīng)的另一套常用的指令集架構(gòu)是 基于寄存器的指令集， 依賴寄存器進(jìn)行工作。

那么， 基于棧的指令集和基于寄存器的指令集這兩者有什么不同呢？

舉個簡單例子，分別使用這兩種指令計算1+1的結(jié)果， 基于棧的指令集是這個樣子：
iconst_1

iconst_1

iadd

istore_0

兩條iconst_1指令連續(xù)把兩個常量1壓入棧后，iadd指令把棧頂?shù)膬蓚€值出棧、相加，然后將結(jié)果放回棧頂，最后istore_0把棧頂?shù)闹捣诺骄植孔兞勘碇械牡?個Slot中。

如果基于寄存器的指令集，那程序可能會是這個樣子：

mov eax, 1

add eax, 1

mov指令把EAX寄存器的值設(shè)置為1，然后add指令再把這個值加1，將結(jié)果就保存在EAX寄存器里面。

基于棧的指令集主要的優(yōu)點(diǎn)就是可移植，寄存器是由硬件直接提供，程序直接依賴這些硬件寄存器則不可避免地要受到硬件的約束。

棧架構(gòu)的指令集還有一些其他的優(yōu)點(diǎn)，如代碼相對更加緊湊，編譯器實(shí)現(xiàn)更加簡單等。
棧架構(gòu)指令集的主要缺點(diǎn)是執(zhí)行速度相對來說會稍微慢一些。