java字节码执行_java字节码是如何被JVM执行的

落日映苍穹つ 2022-11-03 16:22 171阅读 0赞

在上一篇中介绍了class文件的组成，也就是字节码文件的结构，这一篇介绍jvm是如何执行字节码的。本篇介绍的jvm执行引擎以jvm规范为准，并非具体的jvm实现。

运行时数据区域

根据JVM规范，java虚拟机所管理的内存包括以下几个运行时数据区域

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程序计数器

程序计数器是一块较小的内存空间，它可以看作是当前线程所执行的字节码的行号指示器，线程私有。

Java虚拟机栈

与程序计数器一样，Java虚拟机栈也是线程私有的，它的生命周期与线程相同。虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。每一个方法从调用直至执行完成的过程，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。

本地方法栈

本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，它们之间的区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法(也就是字节码)服务，而本地方法栈则为虚拟机使用到的Native方法服务。

Java堆

此内存区域的唯一目的就是存放对象实例，几乎所有的对象实例都在这里分配内存。 Java堆是垃圾收集器管理的主要区域，所有线程共享。

方法区

方法区与Java堆一样，是各个线程共享的内存区域，它用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。

字节码指令

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、 代表着某种特定操作含义的数字(称为操作

码，Opcode)以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数(称为操作数，Operands)而构成。例如上文中javap的结果中的

bipush 10

复制代码

bipush为操作码，10为操作数。

如果不考虑异常处理的话，那么Java虚拟机的解释器可以使用下面这个伪代码当做最基本的执行模型来理解：

do\{

自动计算PC寄存器的值加1；

根据PC寄存器的指示位置，从字节码流中取出操作码；

if(字节码存在操作数)从字节码流中取出操作数；

执行操作码所定义的操作；

\}while(字节码流长度＞0)；

复制代码

虚拟机字节码执行引擎

执行引擎是Java虚拟机最核心的组成部分之一。“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直接建立在处理器、 硬件、 指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由自己实现的，因此可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

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。在概念模型上，典型的栈帧结构如图所示：![cf1a6853b580d475987f3b6cd827f571.png][]

局部变量表

局部变量表(Local VariableTable)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(VariableSlot，下称Slot)为最小单位，虚拟机规范中并没有明确指明一个Slot应占用的内存空间大小，只是很有导向性地说到每个Slot都应该能存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress类型的数据。

操作数栈

操作数栈(Operand Stack)也常称为操作栈，它是一个后入先出(Last In First

Out,LIFO)栈。 同局部变量表一样，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。

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。

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，另外一种退出方式是，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。

方法退出的过程实际上就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，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。

实例演示

这里以上篇文章中的main方法为例，看下jvm是如何执行字节码的，main方法javap的结果为：

public static void main(java.lang.String\[\]);

descriptor: (\[Ljava/lang/String;)V

flags: ACC\_PUBLIC, ACC\_STATIC

Code:

stack=2, locals=3, args\_size=1

0: bipush 10

2: istore\_1

3: iload\_1

4: bipush 10

6: iadd

7: istore\_2

8: getstatic \#2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

11: iload\_2

12: invokevirtual \#3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V

15: return

LineNumberTable:

line 6: 0

line 7: 3

line 8: 8

line 9: 15

复制代码

根据上文的介绍，main方法的局部变量表的最大容量为locals=3，操作数栈的最大深度为stack=2，下面我们来手动执行上述指令。![40cc5d3da1b110a1f911c75d0461172d.png][]

![31b4fe470d77d8b93a9a665b9a0dfd86.png][]

![aeb11fe8f9a1d58d903493d644c285eb.png][]

![8af4f26d43519dba5c4eb18d58b70abd.png][]

![1c0165db10eded6724842404bc8b817c.png][]

![c8393735e6fccb5f053d6e4bfa3898f8.png][]

![00408258d26bf00e0705da708d1ef05c.png][]

![936e4bcdd9c6d53679128c2bfc8c24e1.png][]

![078aee96843aabfcd04785ef25ea2aab.png][]

![1d66e966ca5442bed87f3822d902f10b.png][]

![55a42359bd2c01441a6361b24d9f97e0.png][]

全文完

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