12 虚拟机字节码执行引擎_基于栈的字节码解释执行
1 解释执行与编译执行
- 解释执行：通过解释器执行
- 编译执行：通过即时编译器产生本地代码（机器码）执行
- 虚拟机的执行引擎支持以上两种方式
java语言的编译及执行过程：
C语言的编译过程：
2 基于栈/寄存器的指令集
- 基于栈的指令集架构：指令不带参数，使用操作数栈中的数据作为指令的运算输入，指令的运算结果也存储在操作数栈中。依赖操作数栈进行工作。字节码指令属于基于栈的指令集架构
- 基于寄存器的指令集架构：能被物理硬件直接支持的指令集架构，如X86二进制指令集，指令带有操作数，依赖寄存器计算和存储。（所有主流物理机的指令集都是寄存器架构）
温馨提示：关于x86指令集在《深入理解计算机操作系统》读书笔记系列中有详细介绍
以计算1+1作为例子，体现两种指令集的差异
基于栈的指令集：
iconst_1
iconst_1
iadd
istore_0
- 两条iconst_1指令连续把两个常量1压入栈
- iadd指令把栈顶的两个值出栈、相加，然后把结果放回栈顶
- 最后istore_0把栈顶的值放到局部变量表的第0个变量槽中
基于寄存器的指令集：
mov eax, 1
add eax, 1
- mov指令将立即数1放入eax寄存器
- add指令将eax寄存器的值加1，并把结果保存在eax寄存器中
栈的指令集的优缺点：
- 可移植，因为它不依赖寄存器（寄存器跟硬件体系挂钩）
- 指令相对更加简洁（寄存器指令集中还需要存放参数）
- 编译器实现更加简单（不需要考虑空间分配的问题，所需空间都在栈上操作）
- 缺点1：栈实现在内存中，比起寄存器的访存速度更慢。
- 缺点2：指令数量比寄存器架构来得更多（出栈、入栈操作本身就产生了相当大量的指令）
3 解释器执行字节码过程
例子说明Java虚拟机如何执行字节码
public class ByteCodeTest_3 {
public int calc() {
int a = 100;
int b = 200;
int c = 300;
return (a + b) * c;
}
}
javac编译后的字节码完整内容如下：
minnesota-book:test howing.zhang$ javap -verbose ./ByteCodeTest_3.class
Classfile /Users/howing.zhang/hy-Data/Work/study/project/mconcurrency/src/main/java/com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest_3.class
Last modified 2022-12-6; size 310 bytes
MD5 checksum 542ed788c7ea7a11f0c7cd0cf046c2a6
Compiled from "ByteCodeTest_3.java"
public class com.minnesota.practice.test.ByteCodeTest_3
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #3.#12 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Class #13 // com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest_3
#3 = Class #14 // java/lang/Object
#4 = Utf8 <init>
#5 = Utf8 ()V
#6 = Utf8 Code
#7 = Utf8 LineNumberTable
#8 = Utf8 calc
#9 = Utf8 ()I
#10 = Utf8 SourceFile
#11 = Utf8 ByteCodeTest_3.java
#12 = NameAndType #4:#5 // "<init>":()V
#13 = Utf8 com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest_3
#14 = Utf8 java/lang/Object
{
public com.minnesota.practice.test.ByteCodeTest_3();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 3: 0
public int calc();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=4, args_size=1
0: bipush 100
2: istore_1
3: sipush 200
6: istore_2
7: sipush 300
10: istore_3
11: iload_1
12: iload_2
13: iadd
14: iload_3
15: imul
16: ireturn
LineNumberTable:
line 5: 0
line 6: 3
line 7: 7
line 8: 11
}
SourceFile: "ByteCodeTest_3.java"
用图例来说明执行calc()方法的字节码指令时，操作数栈和局部变量表的变化情况：
由上图可知，calc()方法运行的栈帧结构中：
- 操作数栈的最大深度为2
- 本地变量表的变量槽最大使用数量为4
- 方法参数的个数为1，它是隐藏参数this
- 验证过程也满足：“stack=2, locals=4, args_size=1”该字节码内容
4 栈结构指令集的一般运行过程
java虚拟机进行数据运算，没有异常的情况下，遵从以下步骤：
- 先入栈：将常量或变量值写入操作数栈，push指令集负责。
- 出栈：将操作数栈数据保存到常量表，store指令集负责
- 入栈：数据从常量表复制操作数栈，为下一步的运算进行准备。load指令集负责
- 运算：对栈内（从栈顶开始寻找）数据进行运算，并把结果重新存入栈顶。运算指令集负责
- 返回：把计算结果（栈顶数据）返回给方法调用者。
5 总结
一、虚拟机是如何执行方法里面的字节码指令？
- 首先java代码被编译成字节码，字节码中含有方法执行需要的全部指令
- java虚拟机基于栈帧（前面章节介绍过栈结构）的数据结构，来执行指令
- 指令执行过程，就是在操作数栈和局部变量表中来回传送数据的过程
- 传送数据的一般过程，参考【栈结构指令集的一般运行过程】
二、虚拟机实际如何执行字节码指令？
是动态产生每条字节码对应的汇编代码来运行。
三、回到开头：解释执行，那么解释器在哪里？解释器怎么工作？
todo
