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。
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执行引擎的统一外观。在不同的虚拟机实现里面，执行引擎在执行Java代码的时候可能会有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即使编译器产生本地代码执行）两种选择。但从外观上看，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（Stack Frame）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（Virtual Machine Stack）的栈元素。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、动态连接、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，成为当前栈帧，与这个栈帧相关联的方法成为当前方法。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。
方法调用
方法调用并不等同于方法执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本，暂时还不涉及方法内部的具体运行过程。Class文件的编译过程中不包含传统编译中的连接步骤，一切方法调用在Class文件里面存储的都只是符号引用，而不是方法在实际运行时内存布局中的入口地址。
所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用，在类加载的解析阶段，会将其中的一部分符号引用转化为直接引用，这种解析能成立的前提是：方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期间是不可改变的。换句话说，调用目标在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析（Resolution）。
在Java语言中符合“编译期可知，运行期不变”这个要求的方法，主要包括静态方法和私有方法两大类，前者与类型直接关联，后者在外部不可访问，这两种方法各自的特点决定了它们都不可能通过继承或别的方式重写其他版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。
Java虚拟机提供了5种方法调用的字节码指令：
- invokestatic：调用静态方法。
- invokespecial：调用实例构造器<init>方法、私有方法和父类方法。
- invokevirtual：调用所有的虚方法。
- invokeinterface：调用接口方法，会在运行时再确定一个实现此接口的对象。
- invokedynamic：先在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法，在此之前的4条调用指令，分派逻辑是固化在Java虚拟机内部的，而invokedynamic指令的分派逻辑是由用户所设定的引导方法决定的。
只要能被invokestatic和invokespecial指令调用的方法，都可以在解析阶段中确定唯一的调用版本，符合这个条件的有静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法4类，它们在类加载的时候就会把符号引用解析为该方法的直接引用。这些方法称为非虚方法，与之相反，其他方法称为虚方法（除去final）。
虽然final方法是使用invokevirtual指令来调用的，但是由于它无法被覆盖，没有其他版本，所以也无须对方法接收者进行动态选择，又或者说多态选择的结果肯定是唯一的。在Java语言规范中明确说明了final方法是一种非虚方法。
解析调用一定是个静态的过程，在编译期间就完全确定，在类装载的解析阶段就会把涉及的符号引用全部转变成可确定的直接引用，不会延迟到运行期再去完成。而分派（Dispatch）调用则可能是静态的，也可能是动态的。
Java类中使用哪个重载版本，完全取决于传入参数的数量和数据类型，也就是说，虚拟机（准确地说是编译器）在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判定依据的。由于静态类型是编译期可知的，因此在编译阶段，javac编译器会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本。
所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作称为静态分派。静态分派的典型应用就是方法重载。静态分派发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不是由虚拟机来执行的。另外，编译器虽然能确定出方法的重载版本，但在很多情况下这个重载版本并不是“唯一的”，往往只能确定一个“更加合适的”版本。
invokevirtual指令的运行时解析过程大致分为以下几个步骤：
- 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型，记做C。
- 如果在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法，则进行访问权限校验，如>果通过则返回这个方法的直接引用，查找过程结束；如果不通过，则返回java.lang.IllegallAccessError异常。
- 否则，按照继承关系从下往上依次对C的各个父类进行第2步的搜索和验证过程。
- 如果始终没有找到合适的方法，则抛出java.lang.AbstractMethodError异常。
由于invokevirtual指令执行的第一步就是在运行期确定接收者的实际类型，所以不同子类对象的两次调用中的invokevirtual指令把常量池中的类方法符号引用解析到了不同的直接引用上，这个过程就是Java语言中方法重写的本质。我们把这种在运行期根据实际类型确定方法执行版本的分派过程称为动态分派。
方法的接收者与方法的参数统称为方法的总量。根据分派基于多少种宗量，可以将分派划分为单分派和多分派。与静态分派和动态分派的分类两两组合，就构成了静态单分派、静态多分派、动态单分派和动态多分派4种分派组合情况。
由于动态分派是非常频繁的动作，而且动态分派的方法版本选择过程需要运行时在类的方法元数据中搜索合适的目标方法，因此在虚拟机的实际实现中基于性能的考虑，大部分实现都不会真正地进行如此频繁的搜索。面对这种情况，最常用的“稳定优化”手段就是在类在方法区中建立一个虚方法表（Virtual Method Table），使用虚方法表索引来代替元数据查找以提高性能。
虚方法表中存放着各个方法的实际入口地址。如果某个方法在子类中没有被重写，那么子类的虚方法表里面的地址入口和父类相同方法的地址入口是一致的，都指向父类的实现入口。如果子类重写了这个方法，子类方法表中的地址将会替换为指向子类实现版本的入口地址。
为了程序实现上的方便，具有相同签名的方法，在父类、子类的虚方法表中都应当具有一样的索引序号，这样当类型变换时，仅需要变更查找的方法表，就可以从不同的虚方法表中按索引转换出所需的入口地址。
方法表一般在类加载的连接阶段进行初始化，准备了类的变量初始值后，虚拟机会把该类的方法表也初始化完毕。
invokedynamic指令是 JDK 7 新增的用于支持“动态类型语言”（Dynamic Typed Language）而进行的改进之一，也是为 JDK 8 可以顺利实现 Lambda 表达式做技术准备。
动态语言的关键特征是它的类型检查的主体过程是在运行期而不是编译期，比如Groovy、JavaScript、PHP和Python等。相对的，在编译期就进行类型检查过程的语言，如C++和Java就是最常用的静态类型语言。变量无类型而变量值才有类型，是动态语言的另一个重要特征。
JDK1.7新加入的java.lang.inovke包，主要目的是在之前的单纯依靠符号引用来确定调用的目标方法这种方式以外，提供了一种新的动态确定目标方法的机制，称为MethodHandle。
public class MethodHandleDemo {
static class MyPrinter {
public void println(String s) {
System.out.println("-- MyPrinter --");
System.out.println(s);
}
}
public static void main(String[] args) throws Throwable {
Object obj = System.currentTimeMillis() % 2 == 0 ? System.out : new MyPrinter();
getPrintHandle(obj).invokeExact("hello");
}
private static MethodHandle getPrintHandle(Object receiver) throws NoSuchMethodException, IllegalAccessException {
MethodType mt = MethodType.methodType(void.class, String.class);
return MethodHandles.lookup().findVirtual(receiver.getClass(), "println", mt).bindTo(receiver);
}
}
getPrintHandle方法模拟了invokevirtual指令的执行过程，只是它的分派逻辑并非固化在Class文件的字节码上，而是通过一个具体方法来实现。而这个方法本身的返回值（MethodHandle对象），可以视为对最终调用方法的一个“引用”。
仅站在Java语言的角度来看，MethodHandle的使用方法和效果与Reflection有许多相似之处，但它们还是有以下这些区别：
- 从本质上讲，Reflection和MethodHandle机制都是在模拟方法调用，但Reflection是在模拟Java代码层次的方法调用，而MethodHandle是在模拟字节码层次的方法调用。
- Reflection中的java.lang.reflect.Method对象远比MethodHandle机制中的java.lang.invoke.MethodHandle对象所包含的信息多。简单地讲，Reflection是重量级，而MethodHandle是轻量级。
- 由于MethodHandle是对字节码的方法指令调用的模拟，所以理论上虚拟机在这方面做的各种优化，在MethodHandle上也应当采用类似思路去支持。而通过反射去调用方法则不行。
在某种程度上，invokedynamic指令与MethodHandle机制的作用是一样的，都是为了解决原有4条“invoke*”指令方法分派规则固化在虚拟机之中的问题，把如何查找目标方法的决定权从虚拟机转嫁到具体用户代码中，让用户（包括其他语言的设计者）有更高的自由度，而且，它们两者的思路也是可类比的，可以把它们想象成为了达到同一个目的，一个采用上层Java代码和API来实现，另一个用字节码和Class中其他属性、常量来完成。
每一处含有invokedynamic指令的位置都称作“动态调用点”，这条指令的第一个参数不再是代表方法符号引用的CONSTANT_MethodRef_info常量，而是变为JDK 1.7新加入的CONSTANT_InvokeDynamic_info常量，从这个新常量中可以得到3项信息：引导方法、方法类型和名称。引导方法是有固定的参数，并且返回值是java.lang.invoke.CallSite对象，这个代表真正要执行的目标方法调用。根据CONSTANT_InvokeDynamic_info常量中提供的信息，虚拟机可以找到并且执行引导方法，从而获得一个CallSite对象，最终调用要执行的目标方法。
Java编译器输出的指令流，基本上是一种基于栈的指令集架构，指令流中的指令大部分都是零地址指令，它们依赖操作数栈进行工作。与之相对的另外一套常用的指令集架构是基于寄存器的指令集，最典型的就是x86的二地址指令，这些指令依赖寄存器进行工作。
基于栈的指令集主要的优点就是可移植。寄存器由硬件直接提供，程序直接依赖这些硬件寄存器则不可避免地要受到硬件的约束。如果使用栈架构的指令集，用户程序不会直接使用这些寄存器，就可以由虚拟机实现来自行决定把一些访问最频繁的数据（程序计数器、栈顶缓存等）放到寄存器中以获取尽量好的性能，这样实现起来也更加简单一些。栈架构的指令集还有一些其他的优点，如代码相对更加紧凑（字节码中每个字节就对应一条指令，而多地址指令集中还需要存放参数）、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）等。
栈指令的主要缺点是执行速度相对来说会稍慢一些。虽然栈架构指令集的代码非常紧凑，但是完成相同功能所需的指令数据一般会比寄存器架构多，因为出栈、入栈操作本身就产生了相当多的指令数量。更重要的是，栈实现在内存之中，频繁的栈访问也就意味着频繁的内存访问，相对于处理器来说，内存始终是执行速度的瓶颈。尽管虚拟机可以采取栈顶缓存的手段，把最常用的操作映射到寄存器中避免直接内存访问，但这也只能是优化措施而不是解决本质问题的方法。由于指令数量和内存访问的原因，所以导致了栈架构指令集的执行速度会相对较慢。
