概述

执行引擎是JAVA虚拟机最核心的组成部分之一。物理机的执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集、操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此虚拟机可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

在JAVA虚拟机规范中制定了虚拟机字节码执行引擎的概念模型。

运行时栈帧结构：概述

栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用、方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。

栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接、方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始到执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

每一个栈帧都包括了局部变量表、操作数栈、动态连接、方法返回地址、一些额外的附加信息。在编译程序代码的时候，栈帧中需要多大的局部变量表、多深的操作数栈都已经完全确定，并且写入到方法表的Code属性中，因此一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

一个线程中的方法调用链可能会很长，很多方法都同时处于执行状态。对于执行引擎来讲，活动线程中只有栈顶的栈帧是有效的，称为当前栈帧，这个栈帧所关联的方法称为当前方法。执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。

运行时栈帧结构：局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数、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要分配的最大局部变量表的容量。

局部变量表的容量以变量槽为最小单位，简称为Slot。虚拟机规范中并没有明确指明一个Slot应占用的内存空间大小。一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型，JAVA中占用32位以内的数据类型有boolean、byte、char、short、int、float、reference、returnAddress共8种类型。虚拟机规范并没有说明reference长度也没有明确指出这个引用的数据结构，但一般来说，虚拟机实现至少都应当能从此引用中直接/间接查找到对象在JAVA堆中的起始地址索引、方法区中的对象类型数据。returnAddress是为字节码指令jsr、jsr_w、ret服务的，它指向了一条字节码指令的地址。

对于64位的数据类型，虚拟机会以高位在前的方式为其分配2个连续的Slot空间。鉴于long和double是明确的64位，相当于把long和double数据类型分割存储到2个Slot，不过由于局部变量表建立在线程的堆栈上，是线程私有的数据，，无论读写2个连续Slot是否是原子操作，都不会引起数据安全问题。

虚拟机通过索引定位的方式来使用局部变量表，索引值范围是从0开始到局部变量表最大的Slot数量。如果是32位数据类型的变量则索引n就代表了使用第n个Slot，如果是64位数据类型的变量，则说明要使用第n和第n+1这2个Slot。

在方法执行时，虚拟机是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，如果是实例方法，那么局部变量表中第0位索引的Slot默认是用于传递方法所属对象实例的引用，在方法中可以通过关键字this来访问这个隐含的参数。其余参数则按照参数表的顺序来排列，占用从1开始的局部变量Slot，参数表分配完毕后，再根据方法体内部定义的变量顺序和作用域分配其他的Slot。

局部变量表中的Slot是可重用的，方法体中定义的变量，其作用域不一定会覆盖整个方法体，如果当前字节码PC计数器的值已经超过了某个变量的作用域，那么这个变量对应的Slot就可以交给其他变量使用。这样的设计不仅仅是为了节省栈空间，在某些情况下Slot的复用会直接影响到系统的垃圾收集行为。

举个例子：

局部变量表中的Slot是否还存在关于placeholder数组对象的引用。第一次修改中，代码虽然已经离开了placeholder的作用域，但在此之后，没有任何对局部变量表的读写操作，placeholder原本所占用的Slot还没有被其他变量复用，所以GC Roots一部分的局部变量表仍然保持着对它的关联。这种关联没有被及时打断，在绝大部分情况下影响都很轻微。但如果遇到一个方法，其后面的代码有一些耗时很长的操作，而前面又定义了占用了大量内存、实际上已经不会再被使用的变量，手动将其设置为null值就不是一个毫无意义的操作，这种操作可以作为一种在极个别特殊情形（对象占用内存大、方法栈帧长时间不能被回收、方法调用次数达不到JIT的编译条件）下的技巧来使用。

赋值null的操作在经过虚拟机JIT编译器优化之后会被消除掉，这个时候再将变量设置为null是没有意义的。当字节码被编译为本地代码后，对GC Roots的枚举也与解释执行时期有所差别。

局部变量不像前面的static类变量那样存在准备阶段，static变量有2次初始化过程，无论如何，类变量仍然具有一个确定的初始值。但局部变量就不一样了，如果一个局部变量定义了但没有赋初始值是不能使用的。

运行时栈帧结构：操作数栈

操作数栈也常被称为操作栈，它是一个后入先出栈。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可以是任意的JAVA数据类型，包括long和double。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。在方法执行的任何时候，操作数栈的深度都不会超过在max_stacks数据项中设定的最大值。

当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令向操作数栈中写入、提取内容，也就是入栈、出栈操作。例如：在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的，又或者在调用其他方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的。

操作数栈中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。

在概念模型中，2个栈帧作为虚拟机栈的元素，相互之间是完全独立的。但实际情况下大多数虚拟机实现会做一些优化处理，令2个栈帧出现一部分重叠。让下面栈帧的部分操作数栈 与 上面栈帧的部分局部变量表重叠在一起，这样在进行方法调用的时候就可以共用一部分数据，而无须进行额外的参数赋值传递。

运行时栈帧结构：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，持有这个引用就是为了支持方法调用过程中的动态连接。

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中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化称为静态解析。另外一部分会将在每一次的运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。

运行时栈帧结构：方法返回地址

当一个方法被执行后，有2种方式退出这个方法：

①执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，此时可能会有返回值传递给上层的方法调用者、是否有返回值、返回值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完成出口。

②在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理，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，这种退出方式称为异常完成出口。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产生任何返回值的。

无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的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，栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法退出的过程实际上等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行如下操作：恢复上层方法的局部变量表、操作数栈，同时把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值来指向方法调用指令后面的一条指令等等。

运行时栈帧结构：附加信息

虚拟机规范允许具体的虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧中，这部分信息完全取决于具体的虚拟机实现。

方法调用：概述

方法调用并不等同于方法执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本。一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址，这使得JAVA方法调用过程变得相对复杂起来，需要在类加载期间甚至到运行期间才能确定目标方法的直接引用。

方法调用：解析

所有方法调用中的目标方法在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，即调用目标在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来，这类方法的调用称为解析。

在JAVA语言中，符合“编译器可知、运行期不可变”要求的方法主要有static方法和private方法。static方法与类型直接关联，private方法在外部不可被访问，这2种方法都不可能通过继承或者别的方式重写出其他版本，因此这2种方法适合在类加载阶段进行解析。与之相对应的，在JVM中提供了4条方法调用字节码指令：

①invokestatic：调用静态方法。

②invokespecial：调用实例构造器<init>方法、私有方法、父类方法。

③invokevirtual：调用所有的虚方法。

④invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现此接口的对象。

只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段确定唯一的调用版本，符合这个条件的有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法共4类，它们在类加载的时候就会把符号引用解析为该方法的直接引用。

这4类方法可以称为非虚方法，与之相反的其他方法称为虚方法（除去final方法）。

final方法是使用invokevirtual指令来调用的，但是由于final方法无法被覆盖、没有其他版本，所以也无须对方法接受者进行多态选择，因此在JAVA语言规范里明确说明了final方法是一种非虚方法。

解析调用一定是个静态的过程，在编译期间就完全确定，在类装载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变为可确定的直接引用，不会延迟到运行期再去完成。分派调用dispatch则可能是静态的也可能是动态的，根据分派依据的宗量数可分为单分派和多分派。这2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。

方法调用：静态分派

分派调用过程会揭示JAVA多态特性的一些最基本的体现。

Human man = new Man();这里的Human称为变量的静态类型/外观类型，而Man则称为变量的实际类型。

静态类型的变化仅仅在使用时发生，而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；实际类型变化的结果在运行期才能确定，毕竟编译器在编译期并不知道一个对象的实际类型是什么。

现在再看一下案例，方法接受者是sr确定的情况下，到底使用哪个重载版本，就取决于传入的参数数量、参数类型。由于man和women是静态类型，编译器在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型来作为判断依据。并且静态类型是编译期可知，所以在编译阶段，JAVAC编译器就根据参数的静态类型已经决定了使用哪个重载版本，因此选择了sayHello（Human）来作为调用目标，把这个方法的符号引用写到main()方法里的2条invokevirtual指令的参数中。

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。静态分派的最典型应用就是方法重载。

静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由JVM来执行，而是由编译器来执行。

另外，编译器虽然能确定出方法的重载版本，但很多情况下这个重载版本并不是唯一的，往往只能确定一个更加合适的版本。产生这种模糊结论的主要原因是字面量不需要定义，所以字面量没有显式的静态类型，它的静态类型只能通过语言上的规则去理解和推判。

方法调用：动态分派

动态分派和多态性的另外一个重要体现-重写有着很密切的关联。