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当前短讯！12 虚拟机字节码执行引擎_字节码执行机制

来源：博客园
目录
  • 1 解释执行与编译执行
  • 2 基于栈/寄存器的指令集
  • 3 解释器执行字节码过程
  • 4 虚拟机进行数据运算的一般过程

1 解释执行与编译执行

  1. 解释执行：通过解释器执行
  2. 编译执行：通过即时编译器产生本地代码（二进制代码）执行
  3. 虚拟机的执行引擎支持以上两种方式

java语言的编译及执行过程：

C语言的编译过程：


(资料图片仅供参考)

2 基于栈/寄存器的指令集

  1. 基于栈的指令集架构：指令不带参数，使用操作数栈中的数据作为指令的运算输入，指令的运算结果也存储在操作数栈中。依赖操作数栈进行工作
  2. 基于寄存器的指令集架构：X-86指令集，指令带有操作数，依赖寄存器计算和存储。
  3. 字节码指令属于基于栈的指令集架构（部分指令会带有参数）

温馨提示：关于x86指令集在《深入理解计算机操作系统》读书笔记系列中有详细介绍

以计算1+1作为例子，体现两种指令集的差异

基于栈的指令集：

iconst_1  iconst_1 iadd istore_0
  1. 两条iconst_1指令连续把两个常量1压入栈
  2. iadd指令把栈顶的两个值出栈、相加，然后把结果放回栈顶
  3. 最后istore_0把栈顶的值放到局部变量表的第0个变量槽中

基于寄存器的指令集：

mov eax, 1 add eax, 1
  1. mov指令将立即数1放入eax寄存器
  2. add指令将eax寄存器的值加1，并把结果保存在eax寄存器中

栈的指令集的优缺点：

  1. 可移植，因为它不依赖寄存器（寄存器一般跟硬件体系挂钩）
  2. 指令相对更加简洁（寄存器指令集中还需要存放参数）
  3. 编译器实现更加简单（不需要考虑空间分配的问题，所需空间都在栈上操作）
  4. 缺点1：栈实现在内存中，比起寄存器的访存速度更慢。
  5. 缺点2：指令数量比寄存器架构来得更多（出栈、入栈操作本身就产生了相当大量的指令）

3 解释器执行字节码过程

例子说明Java虚拟机如何执行字节码

public class ByteCodeTest_3 {    public int calc() {        int a = 100;        int b = 200;        int c = 300;        return (a + b) * c;    }}

javac编译后的字节码完整内容如下：

minnesota-book:test howing.zhang$ javap -verbose ./ByteCodeTest_3.classClassfile /Users/howing.zhang/hy-Data/Work/study/project/mconcurrency/src/main/java/com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest_3.class  Last modified 2022-12-6; size 310 bytes  MD5 checksum 542ed788c7ea7a11f0c7cd0cf046c2a6  Compiled from "ByteCodeTest_3.java"public class com.minnesota.practice.test.ByteCodeTest_3  minor version: 0  major version: 52  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPERConstant pool:   #1 = Methodref          #3.#12         // java/lang/Object."":()V   #2 = Class              #13            // com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest_3   #3 = Class              #14            // java/lang/Object   #4 = Utf8                  #5 = Utf8               ()V   #6 = Utf8               Code   #7 = Utf8               LineNumberTable   #8 = Utf8               calc   #9 = Utf8               ()I  #10 = Utf8               SourceFile  #11 = Utf8               ByteCodeTest_3.java  #12 = NameAndType        #4:#5          // "":()V  #13 = Utf8               com/minnesota/practice/test/ByteCodeTest_3  #14 = Utf8               java/lang/Object{  public com.minnesota.practice.test.ByteCodeTest_3();    descriptor: ()V    flags: ACC_PUBLIC    Code:      stack=1, locals=1, args_size=1         0: aload_0         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V         4: return      LineNumberTable:        line 3: 0  public int calc();    descriptor: ()I    flags: ACC_PUBLIC    Code:      stack=2, locals=4, args_size=1         0: bipush        100         2: istore_1         3: sipush        200         6: istore_2         7: sipush        300        10: istore_3        11: iload_1        12: iload_2        13: iadd        14: iload_3        15: imul        16: ireturn      LineNumberTable:        line 5: 0        line 6: 3        line 7: 7        line 8: 11}SourceFile: "ByteCodeTest_3.java"

用图例来说明执行calc()方法过程中，操作数栈和局部变量表的变化情况：

由上图可知，calc()方法运行的栈帧结构中：

  1. 操作数栈的最大深度为2
  2. 本地变量表的变量槽最大使用数量为4
  3. 方法参数的个数为1，它是隐藏参数this
  4. 验证过程也满足：“stack=2, locals=4, args_size=1”该字节码内容

4 虚拟机进行数据运算的一般过程

java虚拟机进行数据运算，没有异常的情况下，遵从以下步骤：

  1. 先入栈：将常量或变量值写入操作数栈，push指令集负责。
  2. 出栈：将操作数栈数据保存到常量表，store指令集负责
  3. 入栈：数据从常量表复制操作数栈，为下一步的运算进行准备。load指令集负责
  4. 运算：对栈内（从栈顶开始寻找）数据进行运算，并把结果重新存入栈顶。运算指令集负责
  5. 返回：把计算结果（栈顶数据）返回给方法调用者。

关键词： 解释执行 数据运算