字节码执行引擎

运行时栈帧结构

• 栈帧是虚拟机栈中的元素，每一个方法的调用对应着一个栈帧的入栈出栈。栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址等信息。
• 在编译阶段，栈帧中需要多大的局部变量表和多深的操作数栈都是已经确定的，并且写入到方法表的Code属性中。

局部变量表

• 编译期间，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局部变量表的最大容量
• 局部变量表已slot为最小单位，一个slot32位。long和double占两个（不存在线程问题）。第0个slot存放this，从1开始按照变量顺序和作用域分配slot。
• 类变量在准备和初始化阶段会复制好，局部变量没有这个东西，必须手工复制才能使用。

操作数栈

• 和局部变量表一样，操作数栈的最大深度在编译时写入到了Code属性的max_stacks中。32位1个容量，64位2个容量。
• Java虚拟机的解释执行引擎称为“基于栈的执行引擎”，就是指这个。

动态链接

• 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，持有该引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。

方法返回地址

1. 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，也就是所谓的正常完成出口。
2. 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内进行处理，也就是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，这种方式成为异常完成出口。

• 无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置，方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，而通过异常退出的，返回地址是要通过异常处理器表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。

方法调用

• 不是方法执行，而是确定被调用方法的版本（哪个方法），不涉及运行。因为Class文件中存放的是符号引用，不是直接引用。
  有两种调用方式

1. 解析调用：在编译器就确定目标方法。
2. 分派调用：重载、重写。

解析

类加载的解析阶段，会将一部分符号引用转化为直接引用，前提是：方法在程序运行之前就有一个可确定的调用版本，并且运行期不可变。

• 主要包括静态方法和私有方法。
• 解析调用是静态的过程，在编译期间就完全确定，在类加载的解析阶段就会把符号引用转化为直接引用。

分派

静态分派：依赖静态类型类确定方法执行版本。典型应用：重载。
解析和分派不是排他的，静态分派会在类加载器就进行解析，而静态方法的重载，也是通过静态分派确定重载版本的。

public class StaticDispatch {
    static abstract class Human{
    }
    
    static class Man extends Human{
    }
    
    static class Woman extends Human{
    }
    public void sayHello(Human human) {
        System.out.println("hello human");
    }
    public void sayHello(Man man) {
        System.out.println("hello man");
    }
    public void sayHello(Woman woman) {
        System.out.println("hello woman");
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        StaticDispatch sd = new StaticDispatch();
        sd.sayHello(man);
        sd.sayHello(woman);
    }
}
output:
都输出hello human

Human man = new Man();
Human 是变量的静态类型，编译期可知的。
Man是变量的实际类型，运行期才确定。

动态分派：运行期根据实际类型确定方法的执行版本。典型应用：重写。

public class DynamicDispatch {
    static abstract class Human{
        protected abstract void sayHello();
    }
    static class Man extends Human{
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello man");
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello woman");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
    }
}

output：
hello man
hello woman

*虚拟机如何实现动态分派？
　　因为动态分派是非常频繁的动作，而且选择方法版本时需要运行时在类的方法元数据中搜索合适的目标方法，所以基于性能，虚拟机为类在方法区中建立了一个虚方法表。使用虚方法表索引来代替元数据以提高性能。
　　虚方法中存放着各个方法的实际入口地址，如果子类没有重写父类的方法，那么就存放着父类方法的入口地址；如果重写了，就存放子类实现方法的入口地址。

基于栈的指令集和基于寄存器的指令集

基于栈：可移植，速度慢。
基于寄存器：速度快。