深入理解JVM--类的执行机制

在完成将class文件信息加载到JVM并产生class对象之后，就可以执行Class对象的静态方法或者实例方法对对象进行调用了。JVM在源代码编译阶段将源代码编译为字节码文件，字节码是一种中间代码的方式，要由JVM在运行时进行解释执行，这种方式称之为解释执行方式。

1、字节码的解释执行

SunJDK是基于栈的体系结构来执行字节码的，基于栈的好处是代码紧凑，体积小。每个线程创建之后，都会产生一个程序计数器（又称PC计数器）和栈，栈中存在若干的栈帧，每个方法的调用都会产生栈帧。栈帧主要包含两部分，局部变量和操作数栈，局部变量用户存放方法中的局部变量和参数，操作数栈用于存放方法中性过程中产生的中间结果，栈帧中还会有一些杂用的空间，用于存放指向方法已解析的常量池的引用，一些JVM内部所需要的数据等。如下图所示

 

 1)指令解释执行

方法的指令执行是经典的冯诺依曼体系中饿FDX的循环方式，即取一条指令，然后分派，执行。如下面的代码

while(true){
           int code=fetchNextCode();
           switch(code){
           case IADD:
              // do add
           case …:
              // do sth.
           }
       }

以上程序很简单的满足了我们的需求，也是FDX循环模式一个很简单的实现，但是这段程序每次执行完毕都会回到程序的原点，重新判断重新执行，效率是比较差的，所以，有人提出了一种叫token-threding的方式，使用令牌来进行处理，如下面的代码

IADD:{
       // do add;
       fetchNextCode();
       dispatch();
    }
    ICONST_0:{
       //do sth
       fetchNextCode();
       dispatch();
 
}

这段代码冗余了fetchNextCode和dispatch两条指令，性能相对会好一些（为什么性能会好？详情请参看博文JAVA类的执行机制）但是使用这种方法由于冗余相关指令，因此占用的内存会大一些。

2)  栈顶缓存

在方法执行过程中，可以看到有很多重要的操作将数据放入到操作数栈，这会导致寄存器和内存要不断的进行交换数据，SunJDK采用可栈顶缓存，即将本来位于操作数栈的值直接缓存在寄存器上，这样对于大部分只需要一个操作数的操作而言，无需将数据放入操作数栈，可直接在寄存器上进行计算，然后放回操作数栈。

3)  部分栈帧共享

当一个方法调用另外一个方法的时候，通常会传入另一个方法的参数存放在操作数栈，SunJDK为此做了一个优化，就是当调用方法时，后一方可以将前一方的操作数栈作为当前方法的局部变量，从而节省数据copy带来的损耗。

当然SunJDK为了提高数据执行的效率，做了很多优化，这里有不一一列举了。

2、编译执行

解释执行的效率是很低的，为了提升代码编译的执行性能，SunJDK也提供了编译执行的机制（N多教科书上说java是一种解释型语言，都是不全面的，JVM是可以执行编译执行的），编译在运行时进行，通常成为JIT编译器。SunJDK对执行频率高的代码进行编译，而对执行频率不高的代码仍然进行解释执行，因此SunJDK又被称作为HotspotVM，对于编译，SunJDK提供了2种方式，clint complier（-clint）和server complier（-server）。

Clint complier又被成为C1，较为轻量级，只做少量的性能开销比较高的一些优化，占用内存较少，适合做桌面的交互式应用。在寄存器分配策略上，JDK6采用了线性扫描寄存器的方式（具体可参照http://www.bluedavy.com/book/reference/LSRA.pdf），在其他方面的优化主要包括：方法内联、去虚拟化、冗余消除等！

1) 方法内联

对于java语言来说，通常需要调用多个方法来完成功能，执行的时候还需要多次传参和返回值传递，因此C1采用了方法内联的方式，把用到的方法直接植入到当前的方法中，示例如下

public void buy(){
       saveOrder();
       saveDetail();
    }
 
    public void saveOrder(){
       //do save saveOrder
    }
 
    public void saveDetail(){
       //do write detail
    }

当编译的时候，发现编译后的buy方法的字节码≤35个字节（这个可以通过JVM启动的时候设置参数-XX:MaxInlineSize=35来进行控制），则该程序会演变成下面的结构！

public void buy(){
       //do save saveOrder
       //do write detail
}

2)  去虚拟化

去虚拟化是指在状态class文件之后进行层次分析，如果发现类中的方法只提供了一个实现类，那么对于条用了此方法的代码，也就可以通过方法内联来提高性能。如下列代码

interface OrderInterface{
  public void buy();
}
class Order implements OrderInterface{
 
  @Override
  public void buy() {
     //do buy
  }
}
public class Test{
  public void testBuy(Order order){
     order.buy();
  }

当JVM在编译的时候发现buy方法只有一个实现的时候，就演变成以下结构

public class Test{
       public void testBuy(Order order){
       //do buy
       }
}

3)  冗余消除

冗余消除是指在编译时，根据运行时的状况进行代码折叠或削除，如下代码

import com.sun.org.apache.commons.logging.Log;
import com.sun.org.apache.commons.logging.LogFactory;
public class Test{
   
    private final static Log log = LogFactory.getLog(Test.class);
   
    private final static boolean isDebug = log.isDebugEnabled();
   
    public void execute(){
       if(isDebug)
           log.debug("Test.execute() has been excuted");
       //do sth
    }
}

这段代码在编译的时候如果被监测到isDebug是false，则执行完C1编译之后就变成了如下代码

public class Test{
   
    public void execute(){
       //do sth
    }
}

这也是很多时候优秀的程序员不直接写log.debug而要先写一个判断的原因。

Server complier又称为C2编译，就比较重量级，这个我们下次再讲。今天先到此吧，休息一下，哈哈！