虚拟机字节码执行引擎

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,这个概念模型成为各种虚拟机的统一外观。从外观来看,所有的Java虚拟机的执行引擎都是一致的:输入的是字节码文件,处理过程是字节码解析的等效过程,输出的是执行结果。

运行时栈帧结构

    栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和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、动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程,都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、动态链接、方法返回地址和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了,并且写入到方法表的Code属性之中,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。对于执行引擎来说,在活动线程中,只有位于栈顶的栈帧才是有效的,称为当前栈帧,与这个栈帧相关联的方法称为当前方法,执行引擎运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。


局部变量表

    局部变量表是一组变量值存储空间,用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在Java程序时,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局部变量表的最大容量。

    局部变量表的容量以变量槽(Slot)为最小单位,一个Slot应该能存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress类型的数据,这八种数据类型。对于64位的数据类型,虚拟机会以高位对其的方式为其分配两个连续的Slot空间。Java语言中明确的64位的数据类型只有long和double两种。这里把long和double数据类型分割存储的做法与“long和double的非原子性协定”中把一次long和double数据类型读写分割为两次32位读写的做法有些类似。

为了尽可能节省栈帧空间,局部变量表中的Slot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Slot就可以交给其他变量使用。不过,这样的设计除了节省栈帧空间以外,还会伴随一些额外的副作用,例如会影响系统的垃圾收集行为。原因大致是局部变量表中还有关于对象的引用作为GC Roots存在。


操作数栈

操作数栈是一个后入先出的栈。同局部变量一样,操作数栈的最大深度也在编译的时候写入到Code属性的max_stacks数据项中。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往操作数栈中写入和提取内容,也就是出栈/入栈操作。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。

举个例子,整数加法的字节码指令iadd在运行的时候操作数栈中最接近栈顶的两个元素已经存入了两个int型的数值,当执行这个指令时,会将这两个int值出栈并相加,然后将相加的结果入栈。

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。再以上面的iadd指令为例,这个指令用于整型数加法,它在执行时,最接近栈顶的两个元素的数据类型必须为int型,不能出现一个long和一个float使用iadd命令相加的情况。


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转化为直接引用,这种转化称为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间转化为直接引用,这部分称为动态连接。


方法返回地址

当一个方法开始执行后,只有两种方式可以退出这个方法。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,是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定,这种退出方法称为正常完成出口。

另一种退出方式是,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,这种退出方法的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。

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