JVM架构 |栈式指令集与寄存器指令集有什么区别？

傷城~ 2023-03-01 11:52 25阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  一、两种指令集的区别
 *  二、代码直观演示两种指令集架构
 *  三、基于栈的解释器执行过程
 *  四、总结

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# 一、两种指令集的区别 #

指令集的架构模型分为`基于栈的指令集架构`与`基于寄存器的指令集架构`两种，HotSpot虚拟机中的任何操作都需要入栈和出栈的步骤，即使用栈来管理运行，`而HotSpot本身就是基于栈的指令集架构`；  
基于寄存器架构的指令集典型应用是传统PC上x86的二进制指令集、Android的Davlik虚拟机(Google在Android上就选择了此种方案)。

下图展示了两种指令集架构的区别：![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

# 二、代码直观演示两种指令集架构 #

> 下面举个例子，分别使用这两种指令集计算2+3的结果

在IDEA中对2+3操作进行`javap -v反编译`，得到了8行指令集。这里只需要要和基于寄存器得出的指令集做一个直观的对比即可，更详细的执行栈式执行过程可以参照下文给出的另一个例子。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

而使用寄存器架构对2+3操作的指令集只有下面两行

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

# 三、基于栈的解释器执行过程 #

下面通过一段Java代码，演示虚拟机中的字节码是如何执行的  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

stack=2,locals=4
    可以看到Javap提示这段代码需要深度为2的操作数栈和4个变量操的局部变量空间。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

bipush指令的作用是将单字节的整形常量值(-128~127)推入操作数栈顶端，跟随有一个参数，指明推送的常量值是多少，这里是100。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

istore\_1指令的作用是将操作数栈顶的整型值出栈并存放到第1个局部变量槽中。 后续4条指令(直到偏移为11的指令为止) 都是做一样的事情， 也就是在对应代码中把变量  
a、 b、 c赋值为100、 200、 300。 这4条指令的图示略过。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
iload\_1指令的作用是将局部变量表第1个变量槽中的整型值复制到操作数栈顶端。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

iload\_2指令的执行过程与iload\_1类似， 把第2个变量槽的整型值入栈。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

iadd指令的作用是将操作数栈中头两个栈顶元素出栈， 做整型加法，然后把结果重新入栈。 在iadd指令执行完毕后， 栈中原有的100和200被出栈，它们的和300被重新入栈。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

iload\_3指令把存放在第3个局部变量槽中的300入栈到操作数栈中。 这时操作数栈为两个整数300。 下一条指令imul是将操作数栈中头两个栈顶元素出栈， 做整型乘法， 然后  
把结果重新入栈， 与iadd完全类似， 故省略图示。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzY5MTA1OA_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

ireturn指令是方法返回指令之一， 它将结束方法执行并将操作数栈顶的整型值返回给该方法的调用者。 到此为止， 这段方法执行结束。

# 四、总结 #

**由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈式指令集架构来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为寄存器架构的。栈式架构的优点是跨平台，指令集小，编译器容器实现；缺点是性能下降，实现相同的功能需要更多的指令。**

> `面试题`：时至今日，HotSpot虚拟机的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了，那么为什么不将架构更换为性能更好的寄存器指令集架构呢？

两种指令集架构各有优劣，并存发展。首先，在设计和实现上，基于栈式的架构更简单。其次无论平台的资源是否受限制，基于栈式的架构都是可以使用的。(针对栈式的优点，可以继续balabala…)

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