JVM体系结构——之执行引擎

今天药忘吃喽~ 2022-12-20 03:06 112阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  JVM
 *   *  执行引擎
     *   *  介绍
         *  分类
         *  字节码执行机制
         *   *  帧的组成部分
             *   *  1、局部变量表
                 *  2、操作数栈（表达式栈）
                 *  3、动态连接（链接）
                 *  4、方法返回地址（方法出口）

# JVM #

## 执行引擎 ##

### 介绍 ###

> 执行引擎负责字节码指令的执行，方法的字节码流由一系列有序指令组成，指令又由一个单字节的操作码 + 0个或多个操作数组成。操作码表示需要执行的操作，操作数表示操作的数据，一般来源于当前栈桢中的局部变量或当前Java栈桢中操作数栈的顶部，至于操作数的个数，由操作码决定（操作码本身就决定了它是否需要操作数，以及操作数的形式等等）。

### 分类 ###

*  **一次性解释字节码**

> 最简单，但是效率也是最低的执行引擎。每次运行方法时都将字节码翻译成本地代码再执行。

*  **即时编译（JITC）**

> 在第一次执行方法时，会把对应的字节码翻译成本地机器代码并缓存，后续调用就可以重用缓存的本地机器代码。

*  **自适应优化器（特殊的即时编译器）**

> JVM一开始也会解释字节码，但他会监视程序的活动，并记录活动过程中使用最频繁的代码，然后把这些代码编译成本地代码，而其他代码则继续使用解释的方式。

### 字节码执行机制 ###

前言：

> 1、每当启动一个线程时，JVM就为它分配一个Java栈，栈是以帧为单位保存当前线程的运行状态的。某个线程正在执行的方法称为当前方法，当前方法使用的帧称为当前帧，当前方法所属的类称为当前类，当前类的常量池称为当前常量池。当线程执行一个方法时，它会追踪当前常量池。  
> 2、栈帧是虚拟机栈的栈元素，每当在调用一个方法时，才为当前方法分配一个帧，然后将该帧压入栈顶，这个帧就成了当前帧，当执行这个方法时，它使用这个帧来存储参数、局部变量，中间计算结果等。

概述栈和帧：

> 栈是保存线程运行状态的，帧是保存方法执行的运行状态的，帧是栈的元素。线程的切换对应着栈的出栈入栈，线程中的不同方法依次运行对应着帧的出栈和入栈。

#### 帧的组成部分 ####

##### 1、局部变量表 #####

介绍：

> 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。  
> Java程序被编译成class文件时，就在方法的code属性的max\_locals数据项中确定了方法所需要分配的最大局部变量表的容量。

> 局部变量表的容量以**变量槽slot为最小单位**，一个slot的大小为**32bit**，在64位虚拟机中需要使用对齐和补白的手段让slot在外观上看起来像与32位虚拟机中的一致。

局部变量表的顺序：

> 变量表从索引0开始，依次存放方法所属对象的引用（如果为静态方法则没有）、方法参数变量（按照生命顺序）、方法内局部变量（按照生命顺寻）。

局部变量中的slot可重用？

> 方法体定义的变量，其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栈空间，在某些情况下slot的服用会直接影响到系统的垃圾收集行为。

注意：

> 1、对于short、byte、char这三种数据类型需要转换成int类型存储在局部变量中。  
> 2、class文件在被JVM加载时，创建class对象，分配内存空间时会为类变量指定初始值。但局部变量定义了没有赋初始值时不能使用的，会出现编译错误。

##### 2、操作数栈（表达式栈） #####

介绍：

> 在方法执行过程中，根据字节码指令，往栈中写入数据或提取数据，即入栈/出栈。

> 操作数栈和局部变量表一样也是编译期间可知的，操作数栈的最大深度在编译的时候写入到code属性的max\_satcks数据项中。

> 操作数栈的每一个元素可以是任意Java数据类型，32位数据容量是1，64位数据容量是2，在方法执行的时候，操作数栈的深度不会超过max\_stacks数据项中设定的最大值。

> 每一个操作数栈都会拥有一个明确的栈深度用于存储数值，其所需的最大深度在编译器就定义好了，保存在方法的Code属性中，为max\_stack的值。

特点：

> 1、先进后出。  
> 2、主要用于保存计算过程中的中间结果，同时作为计算过程中变量临时存储空间。

##### 3、动态连接（链接） #####

介绍：

> 指向运行时常量池的方法引用。

> 每个栈帧内部都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用。包含这个引用的目的就是为了支持当前方法的代码能够实现动态链接。

> 在Java源文件被编译到字节码文件中时，所有的变量和方法引用都作为符号引用保存在class文件的常量池中。比如：描述了一个方法调用了另外的其他方法时，就是通过常量池中指向方法的符号引用来表示的，那么动态链接的作用就是为了将这些符号引用转换为调用方法的直接引用。

静态解析：

> 一部分符号引用会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转换位直接引用。

动态解析：

> 另外一部分符号引用在每一次运行期间转化为直接引用。

##### 4、方法返回地址（方法出口） #####

介绍：

> 存放调用方法的PC寄存器的值（保存PC寄存器的值，当正常结束后，把这个值给到执行引擎，是线程继续工作。）

> 方法正常退出时，调用者的PC计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一个指令的地址。

两种方式：

*  正常执行结束

> 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（例如：areturn），这种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类型将根据遇到何种方法返回指令来决定。这种方式的推出方法称为正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。

*  出现未处理的异常，非正常退出

> 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处理器表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种方式的退出称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion），

> 使用异常完成出口的方式退出，不会给他的上层调用者产生任何返回值。

总结：

> 无论采用那种退出方式，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，用来帮助恢复上层方法的执行状态。一般来说方法正常退出时，调用者的程序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。

字节码的返回指令：

> return：从当前方法返回void。声明void的方法，实里初始化方法，类和接口的初始化方法时使用。  
> ireturn：从当前方法返回int。当返回值是Boolean、byte、char、short、int类型是使用。  
> lreturn：从当前方法返回long。  
> freturn：从当前方法返回float。  
> dreturn：从当前方法返回double。  
> areturn：从当前方法返回对象引用。