虚拟机字节码执行引擎

缺乏、安全感 2022-07-12 06:13 268阅读 0赞

运行时栈帧结构

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。  
   每一个栈帧都包括了局部变量表、 操作数栈、 动态连接、 方法返回地址和一些额外的附加信息。 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。

1.局部变量表

局部变量表（Local Variable Table）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。 在Java程序编译为Class文件时，就在方法的Code属性的max\_locals数据项中确定了该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。  
   如果一个局部变量定义了但没有赋初始值是不能使用的。  
2.操作数栈

操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，它是一个后入先出（Last In First Out,LIFO）栈。 同局部变量表一样，操作数栈的最大深度也在编译的时候写入到Code属性的max\_stacks数据项中。 操作数栈的每一个元素可以是任意的Java数据类型，包括long和double。32位数据类型所占的栈容量为1，64位数据类型所占的栈容量为2。 在方法执行的任何时候，操作数栈的深度都不会超过在max\_stacks数据项中设定的最大值。  
   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，也就是出栈/入栈操作。  
   操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，在编译程序代码的时候，编译器要严格保证这一点，在类校验阶段的数据流分析中还要再次验证这一点。  
3.动态链接

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（Dynamic Linking）。Class文件的常量池中存有大量的符号引用，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作为参数。 这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转化为直接引用，这种转化称为静态解析。 另外一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。   
4.方法返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法。 第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法称为调用者），是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定，这种退出方法的方式称为正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。  
   另外一种退出方式是，在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理，无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出方法的方式称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。 一个方法使用异常完成出口的方式退出，是不会给它的上层调用者产生任何返回值的。  
   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计数器的值可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器值。 而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。  
   方法退出的过程实际上就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（如果有的话）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等。  
5.附加信息

虚拟机规范允许具体的虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧之中，例如与调试相关的信息，这部分信息完全取决于具体的虚拟机实现。在实际开发中，一般会把动态连接、 方法返回地址与其他附加信息全部归为一类，称为栈帧信息。

方法调用

方法调用并不等同于方法执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。 在程序运行时，进行方法调用是最普遍、 最频繁的操作，但前面已经讲过，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（相当于之前说的直接引用）。

1.解析

所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用，在类加载的解析阶段，会将其中的一部分符号引用转化为直接引用，这种解析能成立的前提是：方法在程序真正运行之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，调用目标在程序代码写好、 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“编译期可知，运行期不可变”这个要求的方法，主要包括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，这两种方法各自的特点决定了它们都不可能通过继承或别的方式重写其他版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。  
   与之相对应的是，在Java虚拟机里面提供了5条方法调用字节码指令，分别如下。  
   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。  
   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。  
   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，在此之前的4条调用指令，分派逻辑是固化在Java虚拟机内部的，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。  
   只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段中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、 父类方法4类，它们在类加载的时候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，与之相反，其他方法称为虚方法。  
  被final修饰的方法。 虽然final方法是使用invokevirtual指令来调用的，但是由于它无法被覆盖，没有其他版本，所以也无须对方法接收者进行多态选择，又或者说多态选择的结果肯定是唯一的。 在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的过程，在编译期间就完全确定，在类装载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为可确定的直接引用，不会延迟到运行期再去完成。 而分派（Dispatch）调用则可能是静态的也可能是动态的，根据分派依据的宗量数可分为单分派和多分派。 这两类分派方式的两两组合就构成了静态单分派、 静态多分派、 动态单分派、 动态多分派4种分派组合情况。

分派

1.静态分派

Human man=new Man（）；

上面代码中的“Human”称为变量的静态类型（Static Type），或者叫做的外观类型（Apparent Type），后面的“Man”则称为变量的实际类型（Actual Type），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，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。

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作称为静态分派。 静态分派的典型应用是方法重载。 静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行的。 另外，编译器虽然能确定出方法的重载版本，但在很多情况下这个重载版本并不是“唯一的”，往往只能确定一个“更加合适的”版本。

2.动态分派

它和多态性的另外一个重要体现——重写（Override）有着很密切的关联。

invokevirtual指令的运行时解析过程大致分为以下几个步骤：  
1）找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型，记作C。  
2）如果在类型C中找到与常量中的描述符和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，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegalAccessError异常。  
3）否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。  
4）如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。  
   由于invokevirtual指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以两次调用中的invokevirtual指令把常量池中的类方法符号引用解析到了不同的直接引用上，这个过程就是Java语言中方法重写的本质。 我们把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。  
  
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，据分派基于多少种宗量，可以将分派划分为单分派和多分派两种。 单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择，多分派则是根据多于一个宗量对目标方法进行选择。  
   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。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。