JVM学习笔记-第八章-虚拟机字节码执行引擎
JVM学习笔记-第八章-虚拟机字节码执行引擎
8.1 概述
在《Java虚拟机规范》中制定了Java虚拟机字节码执行引擎的概念模型，在不同的虚拟机实现中，执行引擎在执行字节码的时候，通常会有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择，也可能两者兼备等。
但从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的：输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果，本章将主要从概念模型的角度来讲解虚拟机的方法调用和字节码执行。
8.2 运行时栈帧结构
Java虚拟机以方法作为最基本的执行单元，“栈帧”（Stack Frame）则是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行背后的数据结构，它也是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈（VirtualMachine Stack）的栈元素。
栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。
每一个方法从调用开始至执行结束的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。以Java程序的角度来看，同一时刻，同一条线程里面，在调用堆栈的所有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，只有位于栈顶的方法才是在运行的，其被称为“当前栈帧”，与这个栈帧所关联的方法被称为“当前方法”。
8.2.1 局部变量表
局部变量表（Local Variables Table）是一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序被编译为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（Variable Slot）为最小单位，《Java虚拟机规范》中并没有明确指出一个变量槽应占用的内存空间大小，只是很有导向性地说到每个变量槽都应该能存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress类型的数据。Java虚拟机会以高位对齐的方式为其分配两个连续的变量槽空间。
Java虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表。当一个方法被调用时，Java虚拟机会使用局部变量表来完成参数值到参数变量列表的传递过程，即实参到形参的传递。如果执行的是实例方法，那局部变量表中的第0位索引的变量槽默认是用于传递方法所属对象实例的引用。
8.2.2 操作数栈
操作数栈（Operand Stack）也常被称为操作栈，它是一个后入先出（Last In First Out，LIFO）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被写入到Code属性的max_stacks数据项之中。
操作数栈的每一个元素都可以是包括long和double在内的任意Java数据类型。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。
操作数栈中的元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配，在编译程序代码的时候，编译器必须要严格保证这一点，在类校验阶段的数据流分析中还要再次验证这一点。另外，在概念模型中，两个不同栈帧作为不同的方法的下虚拟机栈的元素，是完全互相独立的，但是在大多虚拟机的实现里都会进行一些优化处理，令两个栈帧出现一部分重叠。
8.2.3 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（Dynamic Linking）。
通过第6章的讲解，我们知道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里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被转化为直接引用，这种转化被称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间都转化为直接引用，这部分就称为动态连接。
8.2.4 方法返回地址
当一个方法开始执行后，只有两种方式退出这个方法：
-
执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法称为调用者或者主调方法），方法是否有返回值以及返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定，这种退出方法的方式称为“正常调用完成”（Normal Method InvocationCompletion）。
-
在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到妥善处理。无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出方法的方式称为“异常调用完成（Abrupt Method Invocation Completion）”。一个方法使用异常完成出口的方式退出，是不会给它的上层调用者提供任何返回值的。
一般来说，方法正常退出时，主调方法的PC计数器的值就可以作为返回地址，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，栈帧中就一般不会保存这部分信息。
8.3 方法调用
方法调用并不等同于方法中的代码被执行，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），暂时还未涉及方法内部的具体运行过程。
8.3.1 解析
所有方法调用的目标方法在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，这种解析能够成立的前提是：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、编译器进行编译那一刻就已经确定下来。这类方法的调用被称为解析（Resolution）。
在Java语言中符合“编译期可知，运行期不可变”这个要求的方法，主要有静态方法和私有方法两大类，前者与类型直接关联，后者在外部不可被访问，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出其他版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。
调用不同类型的方法，字节码指令集里设计了不同的指令。在Java虚拟机支持以下5条方法调用字节码指令，分别是：
- invokestatic。用于调用静态方法。
- invokespecial。用于调用实例构造器
()方法、私有方法和父类中的方法。 - invokevirtual。用于调用所有的虚方法。
- invokeinterface。用于调用接口方法，会在运行时再确定一个实现该接口的对象。
- 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。
前面4条调用指令，分派逻辑都固化在Java虚拟机内部，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户设定的引导方法来决定的。
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，Java语言里符合这个条件的方法共有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法4种，再加上被final修饰的方法（尽管它使用invokevirtual指令调用），这5种方法调用会在类加载的时候就可以把符号引用解析为该方法的直接引用。这些方法统称为“非虚方法”（Non-VirtualMethod），与之相反，其他方法就被称为“虚方法”（Virtual Method）。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修饰的实例方法。虽然由于历史设计的原因，final方法是使用invokevirtual指令来调用的。
解析调用一定是个静态的过程，在编译期间就完全确定，在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为明确的直接引用，不必延迟到运行期再去完成。而另一种主要的方法调用形式：分派（Dispatch）调用则要复杂许多，它可能是静态的也可能是动态的，按照分派依据的宗量数可分为单分派和多分派。这两类分派方式两两组合就构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派4种分派组合情况，下面我们来看看虚拟机中的方法分派是如何进行的。
8.3.2 分派
本节讲解的分派调用过程将会揭示多态性特征的一些最基本的体现，如“重载”和“重写”在Java虚拟机之中是如何实现的，这里的实现当然不是语法上该如何写，我们关心的依然是虚拟机如何确定正确的目标方法。
1. 静态分派
运行结果：
把上面代码中的“Human”称为变量的“静态类型”（Static Type），或者叫“外观类型”（Apparent Type），后面的“Man”则被称为变量的“实际类型”（Actual Type）或者叫“运行时类型”（Runtime Type）。静态类型和实际类型在程序中都可能会发生变化，区别是静态类型的变化仅仅在使用时发生，变量本身的静态类型不会被改变，并且最终的静态类型是在编译期可知的；而实际类型变化的结果在运行期才可确定，编译器在编译程序的时候并不知道一个对象的实际类型是什么。
所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。静态分派发生在编译阶段，静态分派的最典型应用表现就是方法重载。
字面量天生具有模糊性，它不需要定义，所以字面量就没有显式的静态类型，只能通过语言、语法的规则和理解去推断。其中可以不断对一个字面量进行转型。
2. 动态分派
运行结果：
根据《Java虚拟机规范》，invokevirtual指令的运行时解析过程大致分为以下几步：
1）找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型，记作C。
2）如果在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；不通过则返回java.lang.IllegalAccessError异常。
3）否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证过程。
4）如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
正是因为invokevirtual指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以两次调用中的invokevirtual指令并不是把常量池中方法的符号引用解析到直接引用上就结束了，还会根据方法接收者的实际类型来选择方法版本，这个过程就是Java语言中方法重写的本质。在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。
既然这种多态性的根源在于虚方法调用指令invokevirtual的执行逻辑，那自然我们得出的结论就只会对方法有效，对字段是无效的，因为字段不使用这条指令。事实上，在Java里面只有虚方法存在，字段永远不可能是虚的，换句话说，字段永远不参与多态，哪个类的方法访问某个名字的字段时，该名字指的就是这个类能看到的那个字段。当子类声明了与父类同名的字段时，虽然在子类的内存中两个字段都会存在，但是子类的字段会遮蔽父类的同名字段。
3. 单分派与多分派
方法的接收者与方法的参数统称为方法的宗量。
根据分派基于多少种宗量，可以将分派划分为单分派和多分派两种。单分派是根据一个宗量对目标方法进行选择，多分派则是根据多于一个宗量对目标方法进行选择。
总结一句：如今（直至本书编写的Java 12和预览版的Java 13）的Java语言是一门静态多分派、动态单分派的语言。
4. 虚拟机动态分派的实现
动态分派是执行非常频繁的动作，而且动态分派的方法版本选择过程需要运行时在接收者类型的方法元数据中搜索合适的目标方法，因此，Java虚拟机实现基于执行性能的考虑，真正运行时一般不会如此频繁地去反复搜索类型元数据。面对这种情况，一种基础而且常见的优化手段是为类型在方法区中建立一个虚方法表（Virtual Method Table，也称为vtable，与此对应的，在invokeinterface执行时也会用到接口方法表——Interface Method Table，简称itable），使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能。虚方法表中存放着各个方法的实际入口地址。
8.4 动态类型语言支持
JDK 7的发布的字节码首位新成员——invokedynamic指令。这条新增加的指令是JDK 7的项目目标：实现动态类型语言（Dynamically Typed Language）支持而进行的改进之一，也是为JDK 8里可以顺利实现Lambda表达式而做的技术储备。
8.4.1 动态类型语言
动态类型语言的关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期进行的，常用的包括：APL、Clojure、Erlang、Groovy、JavaScript、Lisp、Lua、PHP、Prolog、Python、Ruby、Smalltalk、Tcl。
那相对地，在编译期就进行类型检查过程的语言，譬如C++和Java等就是最常用的静态类型语言。
