## 前言 >本文已經收錄到我的 Github 個人部落格，歡迎大佬們光臨寒舍： > >[我的 GIthub 部落格](https://lovelifeeveryday.github.io/) ## 學習導圖  ## 一.為什麼要學習位元組碼執行引擎？ > 程式碼編譯的結果從本地機器碼轉變為位元組碼，是儲存格式發展的一小步，卻是程式語言發展的一大步 首先，丟擲靈魂三問： - 虛擬機器在執行程式碼的時候，如何找到正確的方法呢？ - 如何執行方法內的位元組碼呢？ - 執行程式碼時涉及的記憶體結構有哪些呢？ 如果你對上述問題理解得還不是特別透徹的話，可以看下這篇文章；如果理解了，你可以關閉網頁，開啟遊戲放鬆了hhh 下面，筆者將帶你探究 `JVM` 核心的組成部分之一——執行引擎。 ## 二.核心知識點歸納 ### 2.1 概述 Q1：**虛擬機器與物理機的異同** - 相同點：都有**程式碼執行能力** - 不同點： > - **物理機**的執行引擎是直接建立在**處理器、硬體、指令集和作業系統**層面上的 > - **虛擬機器**的執行引擎是由**自定義**的，可自行制定指令集與執行引擎的結構體系，且**能夠執行不被硬體直接支援的指令集格式** Q2：**有關 `JVM` 位元組碼執行引擎的概念模型** - 外觀上：所有 `JVM` 的執行引擎都是一致的。輸入的是位元組碼檔案，處理的是位元組碼解析的等效過程，輸出的是執行結果  - 從實現上，執行引擎有多種執行 `Java` 程式碼的選擇 > - 解釋執行：通過直譯器執行 > - 編譯執行：通過即時編譯器產生原生代碼執行 > - 兩者兼備，甚至還會包含幾個不同級別的編譯器執行引擎 ### 2.2 執行時棧幀結構 #### 2.2.1 基本概念 > 筆者之前在 [一文洞悉 JVM 記憶體管理機制](https://juejin.im/post/5e7d62f1e51d4546df7375dd#heading-6) 中就談到過虛擬機器棧，相信看過的讀者都有印象 - 棧幀：用於支援虛擬機器進行**方法呼叫和方法執行**的資料結構，是虛擬機器棧的棧元素 - 儲存內容：方法的區域性變量表、運算元棧、動態連線、方法返回地址和一些額外的附加資訊 - 每一個方法從呼叫直至執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧中入棧到出棧的過程 - 一個棧幀需要分配多少記憶體在程式**編譯期就已確定**，而**不會受到程式執行期變數資料的影響** - 對於執行引擎來說，只有位於棧頂的棧幀（**當前棧幀**）才是有效的，即所有位元組碼指令只對當前棧幀進行操作，與當前棧幀相關聯的方法稱為**當前方法**  #### 2.2.2 區域性變量表 - 定義：區域性變量表是一組變數值儲存空間 - 作用：存放方法**引數**和方法內部定義的**區域性變數** - 分配時期：`Java` 程式**編譯**為 `Class` 檔案時，會在方法的 `Code` 屬性的 `max_locals` 資料項中確定了該方法所需要分配的區域性變量表的最大容量 - 最小單位：變數槽 > - 大小：虛擬機器規範中沒有明確指明一個變數槽佔用的記憶體空間大小，允許變數槽長度隨著處理器、作業系統或虛擬機器的不同而發生變化 > 1. 對於 **`32` 位以內**的資料型別（`boolean`、`byte`、`char`、`short`、`int`、`float`、`reference`、`returnAddress` ），虛擬機器會為其分配一個變數槽空間 > 2. 對於 `64` 位的資料型別（`long`、`double` ），虛擬機器會以高位對齊的方式為其分配兩個連續的變數槽空間 > - 特點：可重用。為了**儘可能節省棧幀空間**，若當前位元組碼 `PC` 計數器的值**已超出了某個變數的作用域**，則該變數對應的變數槽可**交給其他變數使用** - 訪問方式：通過索引定位。索引值的範圍是從 0 開始至區域性變量表最大的變數槽數量 - 區域性變量表第一項是名為 `this` 的一個當前類引用，它指向堆中當前物件的引用（由反編譯得到的區域性變量表可知）  #### 2.2.3 運算元棧 - 運算元棧是一個後入先出棧 - 作用：在方法**執行過程**中，寫入（進棧）和提取（出棧）各種**位元組碼指令** - 分配時期：同上，在編譯時會在方法的 `Code` 屬性的 `max_stacks` 資料項中確定運算元棧的最大深度 - 棧容量：運算元棧的每一個元素可以是任意的 `Java` 資料型別 ——`32` 位資料型別所佔的棧容量為 `1`，`64` 位資料型別所佔的棧容量為 `2` - 注意：運算元棧中元素的資料型別必須與位元組碼指令的序列嚴格匹配，在**編譯時**編譯器需要**驗證**一次、在**類校驗**階段的資料流分析中還要再次**驗證** #### 2.2.4 動態連線 - 定義：每個棧幀都包含一個指向執行時常量池中該**棧幀所屬方法的引用**，持有這個引用是為了**支援方法呼叫過程中的動態連線** - 靜態解析和動態連線區別： > `Class` 檔案的常量池中存有大量的符號引用，位元組碼中的方法呼叫指令就以常量池中指向方法的符號引用作為引數，這些符號引用： > > - 一部分會在**類載入**階段或者**第一次使用**的時候就轉化為直接引用（**靜態解析**） > - 另一部分會在每一次**執行期**間轉化為直接引用（**動態連線**） #### 2.2.5 方法返回地址 - 方法退出的兩種方式： > - 正常退出：執行中遇到任意一個方法返回的位元組碼指令 > - 異常退出：執行中遇到異常、且在本方法的異常表中沒有搜尋到匹配的異常處理器區處理 - 作用：在方法返回時都可能在棧幀中儲存一些資訊，用於**恢復**上層方法呼叫者的**執行狀態** > - 正常退出時，呼叫者的 `PC` 計數器的值可以作為返回地址 > - 異常退出時，通過異常處理器表來確定返回地址 - 方法退出的執行操作： > - 恢復上層方法的區域性變量表和運算元棧 > - 若有返回值把它壓入呼叫者棧幀的運算元棧中 > - 調整 `PC` 計數器的值以指向方法呼叫指令後面的一條指令等 在實際開發中，一般會把動態連線、方法返回地址與其他附加資訊全部一起稱為**棧幀資訊** ### 2.3 方法呼叫 - 方法呼叫是最普遍且頻繁的操作 - 任務：確定被呼叫方法的版本，即**呼叫哪一個方法**，不涉及方法內部的具體執行過程 > 下面筆者將為大家詳細講解方法呼叫的型別 #### 2.3.1 解析呼叫 > 筆者之前在 [一夜搞懂 | JVM 類載入機制](https://juejin.im/post/5e86a5b86fb9a03c451bbdd5#heading-9)中就談到過解析，感覺有點混淆的，可以回去看下 - 特點： 1. 是靜態過程 2. 在編譯期間就完全確定，在**類裝載**的**解析**階段就會把涉及的**符號引用全部轉變為可確定的直接引用**，而不會延遲到執行期再去完成，即**編譯期可知、執行期不變** - 適用物件：`private` 修飾的私有方法，類**靜態方法**，類**例項構造器**，**父類方法** #### 2.3.2 分派呼叫 Q1：**什麼是靜態型別？什麼是實際型別？** A1：這個用程式碼來說比較簡便， Talk is cheap ! Show me the code ! ```java //父類 public class Human { } ``` ```java //子類 public class Man extends Human { } ``` ```java public class Main { public static void main(String[] args) { //這裡的 Human 是靜態型別，Man 是實際型別 Human man=new Man(); } } ``` #### 1.靜態分派 > - 依賴**靜態型別**來定位方法的執行版本 > - 典型應用是**方法過載** > - 發生在編譯階段，不由 `JVM` 來執行 > > 單純說未免有些許抽象，所以特地用下面的 `DEMO` 來幫助瞭解 ```java public class Father { } public class Son extends Father { } public class Daughter extends Father { } ``` ```java public class Hello { public void sayHello(Father father){ System.out.println("hello , i am the father"); } public void sayHello(Daughter daughter){ System.out.println("hello i am the daughter"); } public void sayHello(Son son){ System.out.println("hello i am the son"); } } ``` ```java public static void main(String[] args){ Father son = new Son(); Father daughter = new Daughter(); Hello hello = new Hello(); hello.sayHello(son); hello.sayHello(daughter); } ``` 輸出結果如下： >hello , i am the father > >hello , i am the father 我們的編譯器在生成位元組碼指令的時候會根據變數的**靜態型別**選擇呼叫合適的方法。就我們上述的例子而言：  #### 2.動態分派 > - 依賴動態型別來定位方法的執行版本 > > - 典型應用是**方法重寫** > > - 發生在執行階段，由 `JVM` 來執行 > > 單純說未免有些許抽象，所以特地用下面的 `DEMO` 來幫助瞭解 ```java public class Father { public void sayHello(){ System.out.println("hello world ---- father"); } } //繼承 + 方法重寫 public class Son extends Father { @Override public void sayHello(){ System.out.println("hello world ---- son"); } } ``` ```java public static void main(String[] args){ Father son = new Son(); son.sayHello(); } ``` 輸出結果如下： > hello world ---- son 我們接著來看一下位元組碼指令呼叫情況   > 疑惑來了，我們可以看到，`JVM` 選擇呼叫的是靜態型別的對應方法，但是為什麼最終的結果卻呼叫了是實際型別的對應方法呢？ 當我們將要呼叫某個型別例項的具體方法時，會首先將當前例項壓入運算元棧，然後我們的 `invokevirtual` 指令需要完成以下幾個步驟才能實現對一個方法的呼叫：  因此，疑惑自然解決了 #### 3.單分派 - 含義：根據一個宗量對目標方法進行選擇（方法的接受者與方法的引數統稱為方法的宗量） #### 4.多分派 - 含義：根據多於一個宗量對目標方法進行選擇 > 想了解 **靜態多分派，動態單分派** 的可以看下這篇文章：[Java 中的靜態單多分派與動態單分派](https://blog.csdn.net/p10010/article/details/50456276) ## 三.碎碎念 > 恭喜你！已經看完了前面的文章，相信你對`JVM`位元組碼執行引擎已經有一定深度的瞭解！你可以稍微放鬆獎勵自己一下，可以睡一個美美的覺，明天起來繼續沖沖衝！！！ ------ 如果文章對您有一點幫助的話，希望您能點一下贊，您的點贊，是我前進的動力 本文參考連結： - 《深入理解Java虛擬機器》第3版 - [Java 中的靜態單多分派與動態單分派](https://blog.csdn.net/p10010/article/details/50456276) - [要點提煉 | 理解 JVM 之位元組碼執行引擎](https://www.jianshu.com/p/8be235393021) - [虛擬機器位元組碼執行引擎](https://juejin.im/post/5abc97ff518825556a727e66#he