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android-notes/blogs/JVM/虚拟机字节码执行引擎.md

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虚拟机字节码执行引擎
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### 目录
1. 运行时栈帧结构
* 局部变量表
* 操作数栈
* 动态连接
* 方法返回地址
* 附加信息
2. 方法调用
### 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的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链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、动态链接、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,与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。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,在概念模型上,典型的栈帧结构如下图所示:
![](https://i.loli.net/2019/07/18/5d2fe7985c2a173501.png)
#### 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。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分配的局部变量表的最大容量。
局部变量表的容量以变量槽(Slot)为最小单位,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,只是很有导向性的说到每个 Slot 都应该能存放一个 boolean、byte、char、short、int、float、reference 或 returnAddress 类型的数据。
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 开始至局部变量表最大的 Slot 数量。如果访问的是 32 位数据类型的变量,索引 n 就代表了使用第 n 个 Slot,如果是 64 位数据类型的变量,则说明会同时使用 n 和 n+1 两个 Slot。对于两个相邻的共同存放一个 64 位数据的两个 Slot,不允许采用任何方式单独访问其中的某一个,Java 虚拟机规范中明确要求了如果遇到进行这种操作的字节码序列,虚拟机应该在类加载的校验阶段抛出异常。
在方法执行时,虚拟机是使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程的,如果执行的是实例方法,那局部变量表中第 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" 来访问到这个隐含的参数。其余参数则按照参数表顺序排列,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。
关于局部变量表,还有一点需要注意的,就是局部变量不像类变量那样存在 “准备阶段”。局部变量必须要赋予初始值才能使用。
#### 操作数栈
操作数栈也常称为操作栈。它是一个后入先出栈。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。例如,在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的,又或者在调用其他方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的。
举个例子,整数加法的字节码指令 iadd 在运行的时候操作数栈中最接近栈顶的两个元素已经存入了两个 int 型的数值,当执行这个指令时,会将这两个 int 值出栈并相加,然后将相加的结果入栈。
#### 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。
#### 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,另外一种退出方式是方法执行过程中遇到了异常。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。
方法推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。
#### 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(或者说直接引用)。需要在类加载期间,甚至到运行期间才能确定目标方法的直接引用。
#### 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 “编译器可知,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,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(除去 final 方法)。
Java 中的非虚方法除了使用 invokestatic、invokespecial 调用的方法之外,还有一种,就是被 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、动态单分派和动态多分派。
#### 分派
分派调用过程揭示了多态性特性的一些最基本的体现,如重载和重写。
##### 静态分派