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一.前言

物理機的執(zhí)行引擎是直接在物理硬件如CPU、操作系統(tǒng)、指令集上運行的，但是對于虛擬機來講，他的執(zhí)行引擎由自己實現(xiàn)。 執(zhí)行引擎有統(tǒng)一的外觀（Java虛擬機規(guī)范），不同類型的虛擬機都遵循了這一規(guī)范，輸入字節(jié)碼文件，解析字節(jié)碼處理，然后輸出結(jié)果。

二.運行時棧幀結(jié)構(gòu)

1、棧幀概念
棧幀（Stack Frame）用于支持方法調(diào)用和執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接和方法返回地址。

• 局部變量表大小（max_locals），棧幀深度在編譯時已經(jīng)確定，并寫入到了Code屬性中；
• 執(zhí)行引擎運行的所有字節(jié)碼指令都只針對當(dāng)前棧進(jìn)行操作；

2、局部變量表
局部變量表存儲了方法參數(shù)以及方法內(nèi)定義的局部變量。

• Slot（變量槽）：局部變量表容量最小單位，可以存放32位以內(nèi)的數(shù)據(jù)類型；
• refrence:
  • 直接或者間接找到到該對象在“堆內(nèi)存”中數(shù)據(jù)存放的起始地址索引；
  • 直接或者間接找到對象所屬數(shù)據(jù)類型在方法區(qū)中存儲的類型信息；
• 局部變量表建立在線程的堆棧上，所以操作兩個連續(xù)的slot是否為原子操作，都不會引起數(shù)據(jù)安全問題，但是如果是64位的話，不允許任何方式單獨訪問其中的一個；
• this:實例方法（非static）默認(rèn)第一個（第0位索引）slot為當(dāng)前對象自己的引用；
• slot重用:
  • 當(dāng)前字節(jié)碼的pc計數(shù)器超出某個變量的作用域，那這個變量的slot可以交給別的變量使用；
  • 影響到正常的Java垃圾回收機制；
• 賦null：因為上述slot重用的原因，當(dāng)方法域內(nèi)前面有局部變量定義了大內(nèi)存實際不再使用的變量，緊接著后面的代碼又是一個耗時的操作，這個時候及時賦null就顯得有大的意義。因為一旦觸發(fā)后，這部分的slot就可以被重用了。看起來就像是方法區(qū)內(nèi)部進(jìn)行“類gc"操作一樣。但是，并不是任何時候都要進(jìn)行賦null.以恰當(dāng)?shù)淖兞孔饔糜騺砜刂谱兞炕厥諘r間才是最優(yōu)雅的方式，并且賦null值操作在經(jīng)過JIT編譯優(yōu)化后會被消除掉，這樣的話實際是沒有任何意義的。
• 初始值：和類變量不同，局部變量系統(tǒng)不會自動賦初始值，所以沒有賦值是無法使用的，編譯都無法通過。即使通過，字節(jié)碼校驗階段也會檢查出來而導(dǎo)致類加載失??；

3、操作數(shù)棧（Operand Stack)

• 操作棧，后入先出；
• 最大深度:Code屬性表中的max_stacks;
• 32位數(shù)據(jù)類型所占棧容量為1，64位所占容量為2；
• 棧元素的數(shù)據(jù)類型必須和棧指令保持一致
• 兩個棧幀之間可以存在一部分的重疊，共享數(shù)據(jù)，這樣在方法調(diào)用的時候避免的額外的參數(shù)復(fù)制。
• Java虛擬機的解釋執(zhí)行引擎也是：基于棧的執(zhí)行引擎；

4、動態(tài)連接（Dynamic Linking)
字節(jié)碼中的方法的調(diào)用都是通過常量池中指定方法的符號作為參數(shù)

• 靜態(tài)解析：這種符號有的是類加載階段或者首次使用初始化的時候轉(zhuǎn)化為直接的引用
• 動態(tài)連接：另外一部分是在運行時轉(zhuǎn)化為直接引用

5、方法返回地址

• 退出：
  • 正常退出：遇到返回的字節(jié)碼指令；
  • 異常退出：本方法異常表中沒有匹配的異常；
• 退出后，恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作棧，有返回值就把返回值壓入上層調(diào)用者的棧中；

三.方法調(diào)用

定義:確定被調(diào)用方法的版本
1、解析

• 編譯器可知，運行期不可變。這類方法的調(diào)用成為解析，在類加載階段進(jìn)行解析。
• 靜態(tài)方法、私有方法、實例構(gòu)造器方法、父類方法，符合上述條件。特點是：
  • 只能被invokestatic和invokespecial指令調(diào)用
  • 不可繼承或者重寫，編譯時已經(jīng)確定了一個版本。
  • 在類加載時會把符合引用解析為該方法的直接引用。
  • 非虛方法（注意final也是非虛方法，其他的都是虛方法）

2、靜態(tài)分派

• 概念：根據(jù)靜態(tài)類型來定位方法的執(zhí)行版本
• 典型代表：方法的重載（方法名相同，參數(shù)類型不同）
• 發(fā)生時間：編譯階段

3、動態(tài)分派

• 概念：調(diào)用invokevirtual時，把常量池中的類方法符號解析到了不同的直接引用上。
• 典型代表：重寫，多態(tài)的重要體現(xiàn)
• 過程：
  • 執(zhí)行invokevitual指令
  • 在虛方法表（類加載階段，類變量初始化結(jié)束后會初始化虛方法表）中查找方法，沒有向上的父類進(jìn)行查找
• 方法宗量：方法的接收者與方法參數(shù)的總稱
• 單分派和多分派：
  • 只有一個宗量作為方法的選擇依據(jù)，稱為單分派。多個，則稱為多分派。
  • 當(dāng)前的Java是靜態(tài)多分派、動態(tài)單分派的語言；

四.動態(tài)語言支持

• 特點：變量無類型，變量的值才有類型

• invoke包：Java實現(xiàn)動態(tài)語言新增的包

五.指令集

• 基于棧的指令集
  • 過程：入棧、計算、出棧
  • 優(yōu)點：
    • 可移植性，不依賴于硬件
    • 代碼緊湊
  • 缺點：
    • 速度較慢
    • 產(chǎn)生相當(dāng)多的指令數(shù)量
    • 頻繁內(nèi)存訪問
• 基于寄存器的指令集
  • 代表：x86

六.方法內(nèi)聯(lián)

• 方法內(nèi)聯(lián)的方式是通過吧“目標(biāo)方法”的代碼復(fù)制到發(fā)起調(diào)用的方法內(nèi)，避免真實的方法調(diào)用。
• 內(nèi)聯(lián)消除了方法調(diào)用的成本，還為其他優(yōu)化手段建立良好的基礎(chǔ)。
• 編譯器在進(jìn)行內(nèi)聯(lián)時，如果是非虛方法，那么直接內(nèi)聯(lián)。如果遇到虛方法，則會查詢當(dāng)前程序下是否有多個目標(biāo)版本可供選擇，如果查詢結(jié)果只有一個版本，那么也可以內(nèi)聯(lián)，不過這種內(nèi)聯(lián)屬于激進(jìn)優(yōu)化，需要預(yù)留一個逃生門（Guard條件不成立時的Slow Path），稱為守護(hù)內(nèi)聯(lián)。
• 如果程序的后續(xù)執(zhí)行過程中，虛擬機一直沒有加載到會令這個方法的接受者的繼承關(guān)系發(fā)現(xiàn)變化的類，那么內(nèi)聯(lián)優(yōu)化的代碼可以一直使用。否則需要拋棄掉已經(jīng)編譯的代碼，退回到解釋狀態(tài)執(zhí)行，或者重新進(jìn)行編譯

七.逃逸分析

逃逸分析的基本行為就是分析對象動態(tài)作用域：當(dāng)一個對象在方法里面被定義后，它可能被外部方法所引用，這種行為被稱為方法逃逸。被外部線程訪問到，被稱為線程逃逸。
如果對象不會逃逸到方法或線程外，可以做什么優(yōu)化？

• 棧上分配：一般對象都是分配在Java堆中的，對于各個線程都是共享和可見的，只要持有這個對象的引用，就可以訪問堆中存儲的對象數(shù)據(jù)。但是垃圾回收和整理都會耗時，如果一個對象不會逃逸出方法，可以讓這個對象在棧上分配內(nèi)存，對象所占用的內(nèi)存空間就可以隨著棧幀出棧而銷毀。如果能使用棧上分配，那大量的對象會隨著方法的結(jié)束而自動銷毀，垃圾回收的壓力會小很多。
• 同步消除：線程同步本身就是很耗時的過程。如果逃逸分析能確定一個變量不會逃逸出線程，那這個變量的讀寫肯定就不會有競爭，同步措施就可以消除掉。
• 標(biāo)量替換：不創(chuàng)建這個對象，直接創(chuàng)建它的若干個被這個方法使用到的成員變量來替換。

八.小結(jié)

　　在前面我們已經(jīng)了解到棧幀、方法區(qū)的內(nèi)存時線程私有的，本篇更加詳細(xì)的講了方法是怎么找到并執(zhí)行的。Java虛擬機規(guī)范：輸入字節(jié)碼，解析字節(jié)碼處理，輸出結(jié)果。首先，棧幀包含了局部變量表、操作數(shù)棧、動態(tài)連接、方法返回地址。字節(jié)碼中的方法都是通過常量池中的符號作為參數(shù)指定的，有些編譯解析確定，有些運行行時轉(zhuǎn)化為直接引用。首先記住，JVM是基于棧的執(zhí)行引擎。棧有著先入后出的特點，執(zhí)行引擎的指令也僅執(zhí)行當(dāng)前棧。而局部變量表存儲了方法內(nèi)需要的變量信息，是以Slot 為單位進(jìn)行存儲，超出操作域后，原本占用的內(nèi)存區(qū)域可以被其他的局部變量使用，類似“回收”。然后，記住Java是靜態(tài)多分派，動態(tài)單分派的語言。靜態(tài)分派，如方法的重載。通過方法的參數(shù)不同就可以確定要調(diào)用哪個方法，這個再編譯階段就定好。動態(tài)分派，如方法的重寫。執(zhí)行方法時，有一個虛方法表。這這個表里搜索，自己有就執(zhí)行自己的，沒有向上找父類的。這個是Java實現(xiàn)多態(tài)的重要原理。Java也有支持動態(tài)語言的invoke包，平時用的較少。