【JVM】整体结构（三）：执行引擎

心已赠人 2022-10-30 10:27 182阅读 0赞

在前面两篇文章，我们介绍了类加载子系统和运行时数据区

*  [【JVM】整体结构（一）：类加载子系统][JVM]
 *  [【JVM】整体结构（二）：运行时数据区][JVM 1]

本篇我们就来看看 JVM 的最后一个部分，执行引擎。

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锁识别的字节码指令、符号表和其他辅助信息。

那么，如果想让一个Java程序运行起来，这就涉及到了JVM的字节码执行引擎。执行引擎其实就是个运算器，能识别输入的指令，并根据输入指令执行一套特定的逻辑，最终输出特定的结构（**对应平台上的本地机器指令**）。

相比于JVM，物理机的执行引擎是由硬件实现的（CPU），而虚拟机的执行引擎由于自己实现的，但它们的处理流程是相似的：

1.  取值：JVM 内部定义了两百多个字节码指令，不同字节码指令的实现机制都是不同的
2.  译码：JVM 取出字节码指令后，需要将其翻译为不同的逻辑，然后才能执行（译码的作用）
3.  执行：分为两个阶段，取操作数与进行运算
4.  不断重复上面过程，最终输出输出对应平台上的本地机器指令

> 注意：在 jdk 1.0时代，Java虚拟机完全是解释执行的，随着技术的发展，现在主流的虚拟机中大都包含了即时编译器(JIT)，所以，当前Java字节码的执行有两种方式：
> 
> 1.  即时编译方式（执行快）：解释器先将字节码编译成机器码，然后再执行该机器码。
> 2.  解释执行方式（启动快）：解释器通过每次解释并执行一小段代码来完成Java字节码程序的所有操作。
> 
> 通常采用的是第二种方法。由于JVM规格描述具有足够的灵活性，这使得将字节码翻译为机器代码的工作具有较高的效率。对于那些对运行速度要求较高的应用程序，解释器可将Java字节码即时编译为机器码，从而很好地保证了Java代码的可移植性和高性能。但在虚拟机在真正执行代码过程中，到底是解释执行还是编译执行，只有它自己才能准确判断了。

### 基于栈的代码执行示例 ###

在上一篇文章中，我们介绍了每个虚拟机栈都是由一个或多个方法的栈帧构成，而每个栈帧又是由局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口。现在我们通过一个例子，来看看执行引擎到底是怎样译码并执行的。

1）示例代码

public class Demo {
        
    
        public int math() {
        
            int a = 1;
            int b = 2;
            int c = (a + b) * 10;
            return c;
        }
    	
    	// 入口
        public static void main(String[] args) {
        
            Demo demo = new Demo();
            int math = demo.math();
        }
    }

2）编译并且class文件，然后将其反编译成我们能看懂的文件。

> 这里再额外提一句，编译过程：Demo.java -> 词法分析器 -> tokens流 -> 语法分析器 -> 语法树/抽象语法树 -> 语义分析器 -> 注解抽象语法树 -> 字节码生成器 -> Demo.class文件

javac Demo.java // person.class都是不可读的字节码文件（注：若不可读则用sublime打开）
    javap -c -l Demo > Demo.txt // 反编译当前class文件，生成汇编代码，并重定向到Person.txt

得到的汇编代码如下图所示，这里只对math方法的指令进行了注释，更多JVM指令可以查阅 [指令助记符总结及基本指令大全][Link 1]。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

3）我画了个每条指令执行的流程图，math 函数的执行其实就是靠操作数栈和局部变量表的协作完成。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

最后再说一句，若栈调用过深，那么可能会抛出异常 **StackOverFlowError**（栈溢出）。

### JVM整体结构图 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

[JVM]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/113856158
[JVM 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/109210130
[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/109200153
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221024/21944908bb0b406ea31093eca4e28570.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221024/f4c76450411b47e7a3166b70aad08a40.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]: /images/20221024/f8ee66f81aa146f9a83f45aabba1d13c.png