JVM第八章-虚拟机字节码执行引擎

概述

执行引擎是Java虚拟机核心的组成部分之一。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

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（Virtual MachineStack）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
一个栈帧需要分配多少内存，并不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于程序源码和具体的虚拟机实现的栈内存布局形式。

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。而对于执行引擎来讲，在活动线程中，只有位于栈顶的方法才是在运行的，只有位于栈顶的栈帧才是生效的，其被称为“当前栈帧”（Current Stack Frame），与这个栈帧所关联的方法被称为“当前方法”（Current Method）。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，在概念模型上，典型的栈帧结构如图所示

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。一个变量槽可以存放一个32位以内的数据类型，Java中占用不超过32位存储空间的数据类型有boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress这8种类型。reference类型表示对一个对象实例的引用，虚拟机实现至少都应当能通过这个引用做到两件事情，一是从根据引用直接或间接地查找到对象在Java堆中的数据存放的起始地址或索引，二是根据引用直接或间接地查找到对象所属数据类型在方法区中的存储的类型信息
对于64位的数据类型，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语言中明确的64位的数据类型只有long和double两种。
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（没有被static修饰的方法），那局部变量表中第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（例如，当你调用一个对象的方法时，比如obj.method(), obj的引用就会被存储在局部变量表的第0位索引处。），在方法中可以通过关键字“this”来访问到这个隐含的参数。其余参数则按照参数表顺序排列，占用从1开始的局部变量槽，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余的变量槽。
为了尽可能节省栈帧耗用的内存空间，局部变量表中的变量槽是可以重用的，方法体中定义的变量，其作用域并不一定会覆盖整个方法体，如果当前字节码PC计数器的值已经超出了某个变量的作用域，那这个变量对应的变量槽就可以交给其他变量来重用。但某些情况下变量槽的复用会直接影响到系统的垃圾收集行为
注：局部变量存在“准备阶段”。如果一个局部变量定义了但没有赋初始值，那它是完全不能使用的。

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。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往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈和入栈操作。
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

动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池[1]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）。
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。

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
第一种方式是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，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 Invocation Completion）。

另外一种退出方式是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。
无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都必须返回到最初方法被调用时的位置，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主调方法的执行状态。**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。

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的操作有：
恢复上层方法的局部变量表和操作数栈
注：方法调用与栈帧：
当一个方法被调用时，JVM会为这个方法创建一个新的栈帧，这个栈帧被推入虚拟机栈顶部。如果这个方法是由另一个方法调用的，那么调用者的栈帧就位于被调用方法栈帧的下方。
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计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。

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

解析

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。这类方法的调用被称为解析（Resolution）
符号引用（Symbolic Reference）:
定义：符号引用是指通过名称或者符号来引用数据。这种引用不直接指向内存地址，而是通过一个标识符来访问数据。比如a=5 a是符号引用
直接引用（Direct Reference）:
定义：直接引用是指直接通过内存地址来访问数据。在这种引用中，存储了数据的实际内存地址，可以直接通过这个地址来访问数据，比如指针
主要有静态方法和私有方法两大类，它们适合在类加载阶段进行解析。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。这些方法统称为“非虚方法”（Non-Virtual Method），与之相反，其他方法就被称为“虚方法”（Virtual Method）
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。

分派

分派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。
静态分派
多用于重载
动态分派
动态分派与重写（Override）有着很密切的关联
动态分派方法使用invokevirtual指令的运行，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。
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。
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。

Java语言是一门静态多分派、动态单分派的语言

动态类型语言支持

动态类型语言是什么？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

public static void main(String[] args) {
int[][][] array = new int[1][0][-1];
}

上面这段Java代码能够正常编译，但运行的时候会出现NegativeArraySizeException异常 说明Java支持动态语言

java实现动态类型支持

Java没有办法单独把一个函数作为参数进行传递。普遍的做法是设计一个带有compare()方法的Comparator接口，以实现这个接口的对象作为参数
java.lang.invoke包：提供一种新的动态确定目标方法的机制，称为“方法句柄”（Method Handle）
在拥有方法句柄之后，Java语言也可以拥有类似于函数指针或者委托的方法别名这样的工具了。
示例：
这段代码演示了如何使用 Java 的 MethodHandle API 动态地查找并调用方法。它首先根据当前时间的奇偶性来决定使用 System.out 的 println 方法还是 ClassA 实例的 println 方法。然后，它使用MethodHandle 来动态查找并调用这个 println 方法，打印出字符串 “icyfenix”。这个过程展示了 MethodHandle 提供的灵活性，允许在运行时动态地解析和调用方法，而不必在编译时静态地绑定方法
MethodHandle基础用法演示

import static java.lang.invoke.MethodHandles.lookup;
import java.lang.invoke.MethodHandle;
import java.lang.invoke.MethodType;
/**
* JSR 292 MethodHandle基础用法演示
* @author zzm
*/
public class MethodHandleTest {
static class ClassA {
public void println(String s) {
System.out.println(s);
}
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
Object obj = System.currentTimeMillis() % 2 == 0 ? System.out : new ClassA();
// 无论obj最终是哪个实现类，下面这句都能正确调用到println方法。
getPrintlnMH(obj).invokeExact("icyfenix");
}
private static MethodHandle getPrintlnMH(Object reveiver) throws Throwable {
// MethodType：代表“方法类型”，包含了方法的返回值（methodType()的第一个参数）和
具体参数（methodType()第二个及以后的参数）。
MethodType mt = MethodType.methodType(void.class, String.class);
// lookup()方法来自于MethodHandles.lookup，这句的作用是在指定类中查找符合给定的方法
名称、方法类型，并且符合调用权限的方法句柄。
// 因为这里调用的是一个虚方法，按照Java语言的规则，方法第一个参数是隐式的，代表该方法的接
收者，也即this指向的对象，这个参数以前是放在参数列表中进行传递，现在提供了bindTo()
方法来完成这件事情。
return lookup().findVirtual(reveiver.getClass(), "println", mt).bindTo(reveiver);
}
}

invokedynamic指令

某种意义上可以说invokedynamic指令与MethodHandle机制的作用是一样的
每一处含有invokedynamic指令的位置都被称作“动态调用点（Dynamically-Computed Call Site）”
这条指令的第一个参数是CONSTANT_InvokeDynamic_info常量，从这个新常量中可以得到3项信息：引导方法
（Bootstrap Method，该方法存放在新增的BootstrapMethods属性中）、方法类型（MethodType）和
名称。引导方法是有固定的参数，并且返回值规定是java.lang.invoke.CallSite对象，这个对象代表了真
正要执行的目标方法调用。根据CONSTANT_InvokeDynamic_info常量中提供的信息，虚拟机可以找到
并且执行引导方法，从而获得一个CallSite对象，最终调用到要执行的目标方法上。
invokedynamic作用 在运行时确定具体的值是哪一类 比如lamda表达式调用时会由invokedynamic指令作用