[深入理解JVM 六]---虚拟机字节码执行系统

前边介绍了jvm的运行时内存分配，类文件的结构，以及类加载机制，这样，一个编译好的class二进制字节码文件就已经被加载完毕，等待下一步的执行。接下来分几个部分来介绍这部分内容。首先方法的调用和执行依赖于虚拟机栈，第一部分详细介绍一下虚拟机栈的栈帧结构。第二部分介绍方法的调用。第三部分介绍方法的执行。写的过程中参照了《深入理解java虚拟机》的虚拟机执行子系统和之前提到的大牛的这篇博客http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17965867，这里注明出处

栈帧结构

栈帧（Stack Frame）是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（Virtual Machine Stack）的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程

在编译程序代码的时候，栈帧中需要多大的局部变量表，多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入到方法表的Code属性之中 ，因此一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

一个线程中的方法调用链可能会很长，很多方法都同时处于执行状态。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（Current Stack Frame），与这个栈帧相关联的方法称为当前方法（Current Method）。执行引 擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作

局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量，其中存放的数据的类型是编译期可知的各种基本数据类型、对象引用（reference）和returnAddress类型（它指向了一条字节码指令的地址）。局部变量表所需的内存空间在编译期间完成分配，即在Java程序被编译成Class文件时，就确定了所需分配的最大局部变量表的容量。当进入一个方法时，这个方法需要在栈中分配多大的局部变量空间是完全确定的，在方法运行期间不会改变局部变量表的大小。

局部变量表的容量以变量槽（Slot）为最小单位。在虚拟机规范中并没有明确指明一个Slot应占用的内存空间大小（允许其随着处理器、操作系统或虚拟机的不同而发生变化），一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型：boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddresss。reference是对象的引用类型，returnAddress是为字节指令服务的，它执行了一条字节码指令的地址。对于64位的数据类型（long和double），虚拟机会以高位在前的方式为其分配两个连续的Slot空间。

虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值的范围是从0开始到局部变量表最大的Slot数量，对于32位数据类型的变量，索引n代表第n个Slot，对于64位的，索引n代表第n和第n+1两个Slot。

在方法执行时，虚拟机是使用局部变量表来完成参数值到参数变量列表的传递过程的，如果是实例方法（非static），则局部变量表中的第0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中可以通过关键字“this”来访问这个隐含的参数。其余参数则按照参数表的顺序来排列，占用从1开始的局部变量Slot，参数表分配完毕后，再根据方法体内部定义的变量顺序和作用域分配其余的Slot。

局部变量表中的Slot是可重用的，方法体中定义的变量，作用域并不一定会覆盖整个方法体，如果当前字节码PC计数器的值已经超过了某个变量的作用域，那么这个变量对应的Slot就可以交给其他变量使用。这样的设计不仅仅是为了节省空间，在某些情况下Slot的复用会直接影响到系统的而垃圾收集行为。

操作数栈

操作数栈又常被称为操作栈，操作数栈的最大深度也是在编译的时候就确定了。32位数据类型所占的栈容量为1,64为数据类型所占的栈容量为2。当一个方法开始执行时，它的操作栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令（比如：加操作、赋值元算等）向操作栈中写入和提取内容，也就是入栈和出栈操作。

Java虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，其中所指的“栈”就是操作数栈。因此我们也称Java虚拟机是基于栈的，这点不同于Android虚拟机，android虚拟机是基于寄存器的。

基于栈的指令集最主要的优点是可移植性强，主要的缺点是执行速度相对会慢些；而由于寄存器由硬件直接提供，所以基于寄存器指令集最主要的优点是执行速度快，主要的缺点是可移植性差。

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，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。Class文件的常量池中存在有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用，一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用（如final、static域等），称为静态解析（解析发生在初始化前），另一部分将在每一次的运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。（解析发生在初始化后）

方法返回地址

当一个方法被执行后，有两种方式退出该方法：

• 执行引擎遇到了任意一个方法返回的字节码指令

• 执行引擎遇到遇到了异常，并且该异常没有在方法体内得到处理。

无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值就可以作为返回地址，栈帧中很可能保存了这个计数器值，而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器来确定的，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，如果有返回值，则把它压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令。

方法调用

Class文件的编译过程中不包含传统编译中的连接步骤，一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址。这个特性给Java带来了更强大的动态扩展能力，使得可以在类运行期间才能确定某些目标方法的直接引用，称为动态连接(分派调用)，也有一部分方法的符号引用在类加载阶段或第一次使用时转化为直接引用，这种转化称为静态解析（解析调用）。

解析调用

静态解析成立的前提是：方法在程序真正执行前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期是不可改变的。换句话说，调用目标在编译器进行编译时就必须确定下来，这类方法的调用称为解析。

在Java语言中，符合“编译器可知，运行期不可变”这个要求的方法主要有静态方法和私有方法两大类，前者与类型直接关联，后者在外部不可被访问，这两种方法都不可能通过继承或别的方式重写出其他的版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。

Java虚拟机里共提供了四条方法调用字节指令，分别是：

invokestatic：调用静态方法。
invokespecial：调用实例构造器方法、私有方法和父类方法。
invokevirtual：调用所有的虚方法。
invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现此接口的对象。

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调用版本，符合这个条件的有静态方法、私有方法、实例构造器和父类方法四类，它们在类加载时就会把符号引用解析为该方法的直接引用。这些方法可以称为非虚方法（还包括final方法），与之相反，其他方法就称为虚方法（final方法除外）。这里要特别说明下final方法，虽然调用final方法使用的是invokevirtual指令，但是由于它无法覆盖，没有其他版本，所以也无需对方发接收者进行多态选择。Java语言规范中明确说明了final方法是一种非虚方法。

解析调用一定是个静态过程，在编译期间就完全确定，在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用转化为可确定的直接引用，不会延迟到运行期再去完成。

分派调用

分派调用则可能是静态的（编译期完成）也可能是动态的(运行期完成)，根据分派依据的宗量数（方法的调用者和方法的参数统称为方法的宗量）又可分为单分派和多分派。两类分派方式两两组合便构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派四种分派情况。

静态分派

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作，都称为静态分派，静态分派的最典型应用就是多态性中的方法重载。静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分配的动作实际上不是由虚拟机来执行的。下面通过一段方法重载的示例程序来更清晰地说明这种分派机制：

class Human{
}  
class Man extends Human{
}
class Woman extends Human{
}

public class StaticPai{

public void say(Human hum){
        System.out.println("I am human");
    }
public void say(Man hum){
        System.out.println("I am man");
    }
public void say(Woman hum){
        System.out.println("I am woman");
    }

public static void main(String[] args){
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        StaticPai sp = new StaticPai();
        sp.say(man);
        sp.say(woman);
    }
}

执行结果如下

   I am human
I am human

在分析为什么会选择参数类型为Human的重载方法去执行之前，先看如下代码：

 Human man = new Man（）;

我们把上面代码中的“Human”称为变量的静态类型，后面的“Man”称为变量的实际类型。静态类型和实际类型在程序中都可以发生一些变化，区别是静态类型的变化仅仅在使用时发生，变量本身的静态类型不会被改变，并且最终的静态类型是在编译期可知的，而实际类型变化的结果在运行期才可确定。

回到上面的代码分析中，在调用say（）方法时，方法的调用者（回忆上面关于宗量的定义，方法的调用者属于宗量）都为sp的前提下，使用哪个重载版本，完全取决于传入参数的数量和数据类型（方法的参数也是数据宗量）。代码中刻意定义了两个静态类型相同、实际类型不同的变量，可见编译器（不是虚拟机，因为如果是根据静态类型做出的判断，那么在编译期就确定了）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据的。并且静态类型是编译期可知的，所以在编译阶段，Javac编译器就根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本。这就是静态分派最典型的应用。

注意：解析与分派这两者之间的关系并不是二选一的排他关系，它们是在不同层次上去筛选、确定目标方法的过程。例如，前面说过，静态方法会在类加载期就进行解析，而静态方法显然也是可以拥有重载版本的，选择重载版本的过程也是通过静态分派完成的。

动态分派

动态分派与多态性的另一个重要体现——方法覆写有着很紧密的关系。向上转型后调用子类覆写的方法便是一个很好地说明动态分派的例子。这种情况很常见，因此这里不再用示例程序进行分析。很显然，在判断执行父类中的方法还是子类中覆盖的方法时，如果用静态类型来判断，那么无论怎么进行向上转型，都只会调用父类中的方法，但实际情况是，根据对父类实例化的子类的不同，调用的是不同子类中覆写的方法，很明显，这里是要根据变量的实际类型来分派方法的执行版本的。而实际类型的确定需要在程序运行时才能确定下来，这种在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。

由于动态分派是非常频繁的动作，而且动态分派的方法版本选择过程需要运行时在类的
方法元数据中搜索合适的目标方法，因此在虚拟机的实际实现中基于性能的考虑，大部分实现都不会真正地进行如此频繁的搜索。面对这种情况，最常用的“稳定优化”手段就是为类在方法区中建立一个虚方法表（Vritual Method Table，也称为vtable，与此对应的，在invokeinterface执行时也会用到接口方法表——Inteface Method Table，简称itable），使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能。

虚方法表中存放着各个方法的实际入口地址。如果某个方法在子类中没有被重写，那子类的虚方法表里面的地址入口和父类相同方法的地址入口是一致的，都指向父类的实现入口。如果子类中重写了这个方法，子类方法表中的地址将会替换为指向子类实现版本的入口地址

单分派与多分派

前面给出：方法的接受者（亦即方法的调用者）与方法的参数统称为方法的宗量。单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择，多分派是根据多于一个宗量对目标方法进行选择。

class Eat{
}
class Drink{
}

class Father{
public void doSomething(Eat arg){
        System.out.println("爸爸在吃饭");
    }
public void doSomething(Drink arg){
        System.out.println("爸爸在喝水");
    }
}

class Child extends Father{
public void doSomething(Eat arg){
        System.out.println("儿子在吃饭");
    }
public void doSomething(Drink arg){
        System.out.println("儿子在喝水");
    }
}

public class SingleDoublePai{
public static void main(String[] args){
        Father father = new Father();
        Father child = new Child();
        father.doSomething(new Eat());
        child.doSomething(new Drink());
    }
}

爸爸在吃饭
儿子在喝水

我们首先来看编译阶段编译器的选择过程，即静态分派过程。这时候选择目标方法的依据有两点：一是方法的接受者（即调用者）的静态类型是Father还是Child，二是方法参数类型是Eat还是Drink。因为是根据两个宗量进行选择，所以Java语言的静态分派属于多分派类型。

再来看运行阶段虚拟机的选择，即动态分派过程。由于编译期已经了确定了目标方法的参数类型（编译期根据参数的静态类型进行静态分派（重载）），因此唯一可以影响到虚拟机选择的因素只有此（方法的接受者的实际类型是Father还是Child（重写））。因为只有一个宗量作为选择依据，所以Java语言的动态分派属于单分派类型。

方法执行

基于栈的解释器执行过程
执行如下方法：

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

javap提示这段代码需要深度为2的操作数栈和4个Slot的局部变量空间，下边的几张图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。