HotSpot虚拟机之字节码执行引擎

一、栈帧

1. 栈帧结构

2. 基于栈的解释执行过程

二、方法调用

1. 方法调用指令

2. 分派

三、动态类型语言

四、参考资料

一、栈帧

1. 栈帧结构

栈帧是Java虚拟机栈进行方法调用和执行的数据结构，是方法最基本的执行单元，是栈的元素。一个栈帧分配多大内存，则不受运行期影响，由程序源码和占内存布局决定（内存大小编译期可知）。每一个方法的调用开始和结束，都对应JVM栈的元素（栈帧）的入栈和出栈。

处于Java虚拟机栈顶的栈帧，称为“当前栈帧”；当前栈帧所关联的方法，称为“当前方法”。从Java程序层面看，同一时刻、同一线程里，栈的所有方法都处于执行状态；从执行引擎层面看，只有处于栈顶的方法才是执行状态。

栈帧的结构包含：局部变量表、操作数栈、动态连接、返回地址、附加信息，如下表所示。注意：方法调用时，用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程，即：实参到形参的传递。

栈帧结构	作用	特点
局部变量表 (Local Variables Table)	变量值的存储空间	1.存储：方法参数及方法定义的局部变量； 2.局部变量表容量以变量槽（slot）为最小单位； 3.方法Code属性max_locals决定最大容量(slot数量)； 4.每个slot都能存储boolean、byte、char、short、int、float、returnAddress类型的数据； 5.64位JVM时，只有long、double会以高位对齐的方式分配两个连续的slot空间； 6.实例方法时，第0位slot是this参数；其他：方法参数、方法局部变量的顺序； 7.slot被回收重用的根本原因：slot中是否还存有对象的引用或值。
操作数栈 (Operand Stack)	操作数据的栈	1.JVM解释执行引擎称为“基于栈的操作引擎”； 2.栈的最大深度由编译器Code属性的max_stacks决定； 3.字节码指令往栈中写入和读取操作数，即：操作数的入栈和出栈； 4.栈中元素数据类型与字节码指令的类型必须严格匹配； 5.模型中JVM栈的元素（栈帧）是相互独立的，但是JVM实际优化时，可能会有重叠区域。
动态连接 (Dynamic Linking)	栈帧所属方法的引用	1.每个栈帧都包含一个指向常量池该栈帧所属方法的引用（反过来，字节码的方法调用以常量池的符号引用作为参数）； 2.静态解析：编译器符号引用转直接引用；动态连接：每次运行时符号引用转直接引用。
返回地址 (Return Address)	返回给方法调用者	1.两种方式退出当前方法： “正常调用完成”：执行引擎遇到方法的返回指令； “异常调用完成”：当前方法的异常表中没有搜索到匹配的异常，则异常退出（不会有任何返回值）； 2.方法正常退出时，一般主调方法的PC计数值可作为返回地址，若有返回值则压入主调方法的栈帧中；
附加信息	其他信息	如调试、性能收集相关的信息

其中，reference数据类型的作用：

根据直接引用或间接引用查找到堆中实例对象的起始地址或索引；
根据直接引用或间接引用查找到元空间（方法区）的类型信息（反射机制获取Class信息）；

2. 基于栈的解释执行过程

指令集架构分类如下，Java是基于栈的指令集架构。

基于栈的指令集架构：字节码指令流大部分都是零地址指令，依赖操作数栈工作，其优点：可移植；
基于寄存器的指令集架构：依赖于寄存器来访问和存储数据，如：主流PC机（x86二地址指令集）

执行字节码有两种选择（或两着兼备）：解释执行（解释器）、编译执行（即时编译产生本地机器代码），下面是基于栈的解释执行过程实例、源码和class文件如下。指令含义参考《HotSpot虚拟机之Class文件及字节码指令》。

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

  public int calc();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        100
         2: istore_1
         3: bipush        100
         5: istore_2
         6: bipush        100
         8: istore_3
         9: iload_1
        10: iload_2
        11: iadd
        12: iload_3
        13: imul
        14: ireturn
      LineNumberTable:
        line 29: 0
        line 30: 3
        line 31: 6
        line 32: 9
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      15     0  this   Lcom/cmmon/instance/classLoad/NotInitialization;
            3      12     1     a   I
            6       9     2     b   I
            9       6     3     c   I

二、方法调用

1. 方法调用指令

方法调用阶段唯一目的是确定被调用方法的版本，即：调用哪个方法，其指令有5种：invokestatic、invokespecial、invokevirtual、invokeinterface、invokedynamic，如下表所示。

方法调用指令	特点
invokestatic	作用：调用静态方法；
invokespecial	作用：调用实例构造器<init>()方法、私有方法、父类中的方法；
invokevirtual	1.作用：调用所有的虚方法； 2.该指令：动态分派实现方法复写。
invokeinterface	作用：调用接口方法，运行时确定一个实现该接口的方法；
invokedynamic	1.作用：动态调用方法； 2.运行时动态解析动态解析调用点限定符所引用的方法，再去执行；
注意： a.invokestatic、invokespecial、invokevirtual、invokeinterface其分派逻辑固化在JVM内部；而invokedynamic分派逻辑由用户设定的引导方法来决定； b.只要能被invokestatic、invokespecial调用的方法，在编译器可以确定方法版本，如：静态、实例构造器<init>()、私有、父类、final修饰的方法； c.final修饰的方法虽然用invokevirtual调用，但它是非虚方法。

invokevirtual指令不仅把常量池的方法符号引用解析为直接引用，同时根据方法接收者的实际类型来选择方法版本。invokevirtual指令解析过程，如下步骤：

step1：找到操作数栈顶元素指向的对象的实际类型C；
step2：类型C中查找与当前常量池匹配的方法时，且访问权限校验，通过则返回该方法，查找结束；否则抛出异常：java.lang.IllegalAccessError；
step3：否则，从下往上的继承关系对C的父类，进行搜索和验证；
step4：否则，没有查找到匹配的方法，抛出异常：java.lang.AbstractMethodError。

2. 分派

分派揭示Java多态性的实现，即：如重载、重写是如何实现。其分类：静态分派、动态分派或是单分派、多分派，如下表所示。

分派分类	概念	应用	特点
静态分派	所有依赖静态类型来决定方法版本的分派动作	方法重载	1.静态分派发生在编译期； 2.重载版本多个时，选择最合适的顺序：自动类型转换、自动装箱、装箱实现接口、父类（从下往上）、可变参数方法。
动态分派	运行期根据实际类型来决定方法版本的分派动作	方法重写	1.动态分派发生在运行期； 2.由invokevirtual指令实现。
注意： a.只有方法有多态，而字段永远不参与多态; b.变量的“静态类型”和“实际类型”：（都可能变化，但是变化时期不同）静态类型：变化在使用时发生，且变量本身的类型不会改变，且最终在编译期可知；实际类型：变化结果在运行期确定，编译期不知道一个对象的实际类型是什么； c.类型“宽化转换”：chart > int > long > float > double（不会匹配byte、short类型）； d.“方法的宗量”：方法接收者、方法的参数：单分派：根据一个宗量对目标方法进行选择；多分派：根据多于一个宗量对目标方法进行选择。