二十八、java虚拟机执行引擎

一、执行引擎的概述

1.执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。
2.“虚拟机”是一个相对于“物理机”的概念，这两种机器都有代码执行能力，其区别是物理机的执行引擎是戒指建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎是由软件自行实现的，因此可以不受物理条件制约定制指令集与执行引擎的结构体系，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
3.JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表、以及其他负责信息。
4.如果要让一个Java程序运行起来，执行引擎(Execution Engine)的任务就是将字节码指令解释、编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

二、Java代码编译和执行过程

1）执行引擎在执行的过程总究竟需要执行什么样的就字节码指令完全依赖于PC寄存器。
2）每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
3）当然方法在执行的过程中，执行引擎有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用准确定位到存储在java堆区中的对象实例信息。以及通过对象头中的元数据指针定位到目标对象的类型信息。
4）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，输出是执行结果。

机器码
1）各种用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。开始，人们就用它采集写程序，这就是机器语言。
2）机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，并且用它编程容易出差错。
3）用它编写的程序一经输入计算机，CPU直接读取运行，因此和其他语言编写的程序相比，执行速度最快。
4）机器指令与CPU紧密相关，所以不同种类的CPU所对应的机器指令也就不同。

三、解释器

JVM设计者们的初衷仅仅是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译的方式直接生成本地机器指令，从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码执行程序的想法。
1.解释器真正意义上所承担的绝俗就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译"为对应平台的本地机器指令执行。
2.当一条字节码指令被解释执行完成后，接着再根据PC寄存器中记录下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

在Java的发展历史里，一共有两套解释执行器，即古老的字节码解释器，现在普遍使用的模板解释器。
1.字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常地下。
2.而薄板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程度上提高了解释器的性能。
1）在HotSpot VM中，解释器主要由Interpreter模块和code模块构成
1))Interpreter模块:实现了解释器的核心功能。
2))Code模块:用于管理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令。

四、JIT编译期

1.第一种时将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行。
2.第二种时编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了执行效率，会使用即使编译技术（JIT，Just In Time）将方法编译成机器码后再执行。
4.HotSpot VM是目前市面上高性能虚拟机代表作之一。它采用解释器与即时编译期并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器能够相互协作，各自取长补短，尽量去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间，
5.Java语言的“编译期”其实是一段“不确定”的操作过程，因为它可能是指一个前端编译期器（其实叫“编译期的前端”）把.java文件转变成.class文件的过程。
6.也可能是指虚拟机的后端运行期编译器（JIT编译器）把字节码转变成机器码的过程。
7.还可能是指使用静态提前编译器（AOT编译器）直接把.java文件编译成本地机器代码的过程。
热点代码及探测方式

当然是否需要启动JIT编译器将字节码直接编译为对应平台的本地机器指令，则需要根据代码被调用执行的频率而定。关于那些需要被编译为本地代码的字节码，也被称之为“热点代码”，JIT编译器在运行时会针对那些频繁被调用的“热点代码”做出深度优化，将其直接编译为对应平台的本地机器指令，以此提升程序的执行性能。

一个被多次调用的方法，或者是一个方法体内部循环次数较多的循环体都可以被称之为“热点代码”，因此都可以通过JIT编译器为本地机器指令。由于这种编译方式发生在方法的执行过程中，因此也被称之为栈上替换，或简称为OSR编译。
目前HotSpot VM所采用的热点探测方式是基于计数器的点探测。

缺省情况下Hotspot VM是采用解释器与即时编译器并存的架构，当然开发人员可以根据具体的应用场景，通过命令显示地为Java虚拟机指定在运行时到底是完全采用解释器执行，还是完全采用即时编译器执行。
1）-Xint:完全采用解释器模式执行程序：
2）-Xcomp：完全采用即时编译器模式执行程序。如果即时编译出现问题，解释器会介入执行。
3）-Xmixed:采用解释器+即时编译器的混合模式共同执行程序。