「JVM 执行引擎」栈架构的字节码的解释执行引擎

news2025/1/23 9:28:47

JVM 执行引擎在执行 Java 代码时有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择；

HotSpot 实际的实现中，模版解释器工作时，并不是按照概念模型中进行机械式计算，而是动态生成每一条字节码对应的汇编代码来运行；

文章目录

- - 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

1. 解释执行

笼统的说 Java 是解释执行是没有意义的，需要结合具体 JVM 实现版本和执行引擎运行模式来看；

Java 还发展出了直接生成本地代码的编译器（Jaotc、GCJ、Excelsior JET），C/C++ 语言也出现了通过解释器执行的版本（CINT）；

大部分程序语言（基于物理机、Java 虚拟机、其他非 Java 高级语言虚拟机 HLLVM）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，需要经过如下步骤；

请添加图片描述

Java 中 javac 编译器完成了程序代码的词法分析、语法分析最终经过抽象语法树生成字节码指令流；这部分是独立于 JVM 之外完成，而解释器实在 JVM 内部，所以 Java 的编译是半独立实现的；

2. 基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

基于栈的指令架构（Instruction Set Architecture，ISA），大部分指令是零地址指令，依赖于操作数栈进行工作；
基于寄存器的指令集，典型的如 x86 的二地址指令集，主流 PC 机物理硬件直接支持的指令集架构，依赖于寄存器进行工作；

1 + 1 演示

// 基于栈的指令集
iconst_1
iconst_1
iadd
istore_0

iconst_1 指令将常量 1 压入栈，连续两次，iadd 指令将栈顶两个值出栈、相加、把结果放回栈顶；最后 istore_0 指令把栈顶的值放回局部变量表的第 0 个变量槽；

// 基于寄存器的指令集
 mov eax, 1
 add eax, 1

mov 指令将 EAX 寄存器的值设置为 1，add 指令再把这个值加 1，结果就保存在 EAX 寄存器中；每个指令包含两个单独的输入参数，依赖于寄存器来访问和存储数据；

基于栈的指令集 vs. 基于寄存器的指令集

（优点）由于寄存器与硬件绑定，基于栈的指令集不直接使用寄存器，因此可移植，而基于寄存器的指令集的代码受硬件的约束；
（优点）基于栈的指令集可以有 VM 自行实现，可将一些访问最频繁的数据（程序计数器、栈顶缓存等）放到寄存器以获得更好的性能；
（优点）基于栈的指令集代码更紧凑，编译器实现更简单（不需要考虑空间分配问题）；基于计数器的指令集还要存参数；
（缺点）基于栈的指令集理论上稍慢于寄存器架构的指令集（解释执行状态），完成相同功能所需的指令数量一般也会更多（出入站操作都需要相应指令）；
（缺点）基于栈的指令集操作在内存中，相对处理器来说，内存是执行速度的瓶颈；

3. 基于栈的解释器执行过程

算术代码演示

public int calc() {
    int a = 100;
    int b = 200;
    int c = 300;
    return (a + b) * c;
}

javap 查看字节码

 public int calc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        100
         2: istore_1
         3: sipush        200
         6: istore_2
         7: sipush        300
        10: istore_3
        11: iload_1
        12: iload_2
        13: iadd
        14: iload_3
        15: imul
        16: ireturn
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 19: 3
        line 20: 7
        line 21: 11
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      17     0  this   Ledu/aurelius/jvm/clazz/GrandFather;
            3      14     1     a   I
            7      10     2     b   I
           11       6     3     c   I