「JVM 执行引擎」栈架构的字节码的解释执行引擎

JVM 执行引擎在执行 Java 代码时有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择；

HotSpot 实际的实现中，模版解释器工作时，并不是按照概念模型中进行机械式计算，而是动态生成每一条字节码对应的汇编代码来运行；

1. 解释执行

笼统的说 Java 是解释执行是没有意义的，需要结合具体 JVM 实现版本和执行引擎运行模式来看；

Java 还发展出了直接生成本地代码的编译器（Jaotc、GCJ、Excelsior JET），C/C++ 语言也出现了通过解释器执行的版本（CINT）；

大部分程序语言（基于物理机、Java 虚拟机、其他非 Java 高级语言虚拟机 HLLVM）代码转换成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，需要经过如下步骤；

Java 中 javac 编译器完成了程序代码的词法分析、语法分析最终经过抽象语法树生成字节码指令流；这部分是独立于 JVM 之外完成，而解释器实在 JVM 内部，所以 Java 的编译是半独立实现的；

2. 基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

基于栈的指令架构（Instruction Set Architecture，ISA），大部分指令是零地址指令，依赖于操作数栈进行工作；
基于寄存器的指令集，典型的如 x86 的二地址指令集，主流 PC 机物理硬件直接支持的指令集架构，依赖于寄存器进行工作；

1 + 1 演示

// 基于栈的指令集
iconst_1
iconst_1
iadd
istore_0

iconst_1 指令将常量 1 压入栈，连续两次，iadd 指令将栈顶两个值出栈、相加、把结果放回栈顶；最后 istore_0 指令把栈顶的值放回局部变量表的第 0 个变量槽；

// 基于寄存器的指令集mov eax, 1add eax, 1

mov 指令将 EAX 寄存器的值设置为 1，add 指令再把这个值加 1，结果就保存在 EAX 寄存器中；每个指令包含两个单独的输入参数，依赖于寄存器来访问和存储数据；

基于栈的指令集 vs. 基于寄存器的指令集

• （优点）由于寄存器与硬件绑定，基于栈的指令集不直接使用寄存器，因此可移植，而基于寄存器的指令集的代码受硬件的约束；
• （优点）基于栈的指令集可以有 VM 自行实现，可将一些访问最频繁的数据（程序计数器、栈顶缓存等）放到寄存器以获得更好的性能；
• （优点）基于栈的指令集代码更紧凑，编译器实现更简单（不需要考虑空间分配问题）；基于计数器的指令集还要存参数；
• （缺点）基于栈的指令集理论上稍慢于寄存器架构的指令集（解释执行状态），完成相同功能所需的指令数量一般也会更多（出入站操作都需要相应指令）；
• （缺点）基于栈的指令集操作在内存中，相对处理器来说，内存是执行速度的瓶颈；

3. 基于栈的解释器执行过程

算术代码演示

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

javap 查看字节码

 public int calc();descriptor: ()Iflags: ACC_PUBLICCode:stack=2, locals=4, args_size=10: bipush        1002: istore_13: sipush        2006: istore_27: sipush        30010: istore_311: iload_112: iload_213: iadd14: iload_315: imul16: ireturnLineNumberTable:line 18: 0line 19: 3line 20: 7line 21: 11LocalVariableTable:Start  Length  Slot  Name   Signature0      17     0  this   Ledu/aurelius/jvm/clazz/GrandFather;3      14     1     a   I7      10     2     b   I11       6     3     c   I

解释执行过程演示

• 执行偏移地址为 0 的指令，bipush 将单字节的整型常量（-128 ~ 127）压入操作数栈顶，这里是 100；

• 执行偏移地址为 2 的指令，istore_1 将操作数栈栈顶的整型值出栈并放入第 1 个局部变量槽（后续 4 条指令做相同的事情，这里略过）；

• 执行偏移地址为 11 的指令，iload_1 指令将局部变量表第 1 个变量槽的整型值压入操作数栈（后续 1 条指令做相同事情，这里略过）；

• 执行偏移地址为 13 的指令，iadd 将操作数栈的头两个栈顶元素出栈，做整型加法，并将结果压入栈顶；

• 执行偏移地址为 14 的指令，iload_3 指令将局部变量表第 3 个变量槽的整型值压入操作数栈（后续 1 条指令对栈顶头两个元素做出栈、整型乘法、结果入栈的操作，与 iadd 类似，这里略过）；

• 执行偏移地址为 16 的指令，ireturn 指令是方法返回指令，结束方法执行，并将操作数站定的整型值返回给方法的调用者；

实际执行过程会经过解释器（对字节码指令做合并、替换）和即时编译器对字节码的一系列性能优化，与上面的概念模型差距可能非常大，这里仅演示栈架构指令集的一般运行过程（中间变量以操作数栈的出入栈交换信息）；

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参考资料：

• [1]《深入理解 Java 虚拟机》