JVM字节码执行引擎

一、运行时栈帧结构

栈帧(Stack Frame)是用于JVM执行方法调用和方法执行的数据结构,是虚拟机栈的元素。栈帧存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态链接和和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始到执行结束,都对应着一个栈帧的入栈到出栈。

一个线程中方法调用链可能会很长,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,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。

在调用实例方法(非static方法)时,默认第0位的slot传递的是方法所属对象实例的引用(也就是方法的接收者,JVM在调用方法时,会去方法接收者那里),方法中可以通过this访问到这个隐含的参数。

栈帧.png

1.1 局部变量表

一组变量值存储空间,用于存放方法参数和局部变量
表中的slot是可以复用(不是已经复用)的,如果当前程序计数器的值已经超过某个局部变量的作用于,那么变量对应的Slot就可以给其他变量使用。
请思考以下代码是否可以收回局部变量空间?

   public static void main(String[] args)
   {
            {
                 byte[] placeHolder = new byte[64 * 1024 * 1024];
            }
            System.gc();
   }

分析:placeHolder是否被回收的关键,在于局部变量表中的Slot是否还存有对象placeHolder的引用。gc的时候,虽然已经离开了placeHolder的作用域,但是在此之后,没有对于局部变量表的任何读写操作,placeHolder所占用的slot还没有被复用,所以作为GC Roots的局部变量表仍然保持着对它的关联。
注意:
类变量或实例变量,没有赋值也可以使用,因为有零值。但是局部变量没有赋值则不能使用。(估计原因是局部变量很多,作用域有很短,消亡很快,如果都赋零值,性能影响比较大,没有必要

1.2 操作数栈(Operand Stack)

方法刚开始执行时,操作数栈是空的。在执行过程中,会有各种指令往操作数栈中读写内容。

1.3 动态链接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中,该栈帧所属方法的引用。字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用作为参数

1.4 方法返回地址

正常退出时,调用者的PC计数器的值可以作为返回地址。

二、方法调用

方法调用并不等于方法执行,方法调用阶段唯一任务就是确定被调用方法的版本(即调用哪个方法)。

2.1 解析调用

所有方法在class文件中都是常量池中的符号引用,在类解析阶段

  • 一部分符号引用会转化为直接引用
    前提:编译期可知,运行期不变。符合这个要求的主要包括静态方法和私有方法

解析调用一定是静态的过程,在编译期就完全确定,在类加载的解析阶段就会把涉及的符号引用替换为可确定的直接引用。

2.2 分派调用
           Human human = new Man();

Human 称为变量的静态类型,Man称为实际类型

  • 静态分派
    依赖静态类型来定位方法的分派动作,称为静态分派。
    重载(Overload)属于静态分派。
    注:
    如果参数是类似byte、char、int、Object的重载,定位方法时会在可以转换的前提下,从小到大,依次匹配

  • 动态分派
    覆盖(Override)属于动态分派。

      Human  man = new Man();
      Human woman = new Woman();
      man.sayHello();
      woman.sayHello();

man 和 woman 是将要执行的sayHello()方法的所有者,称为接收者。方法的接收者和参数,统称为方法的宗量。根据分派基于多少种宗量,可将分派划分为单分派和多分派

    public class Dispatch {
    class QQ {}
    class 360 {}
    public class Father 
    {
         public hardChoice (QQ qq)
        {
             System.out.println("Father choice QQ.");
        }

        public hardChoice (360 args)
       {
             System.out.println("Father choice 360.");
       }
  }

public class Son 
{
    public hardChoice (QQ qq)
   {
        System.out.println("Son choice QQ.");
   }

  public hardChoice (360 args)
   {
        System.out.println("Son choice 360.");
   }
}

public static void main(String[] args)
{
         Father father = new Father();
         Father son = new Son();
         father.hardChoice(new _360());
         son.hardChoice(new QQ());
}

最终决定调用方法版本的因素,就是方法的宗量(方法接收者(实际类型) + 参数类型(静态类型))

    public void doSomeThing(Map map)
    {
          // doSomeThing
    }
   
   // 调用方法
   doSomeThing(new HashMap());
   所以其实这个 new HashMap(), 会被隐含的转为 (Map)new HashMap(), 
   也即用的是参数的静态类型去调用方法。
  • JVM 动态分派的实现
    为类在方法区建立一个虚方法表
    虚方法表存放着各个方法的实际入口地址,如果某个方法在子类没有override,那子类虚方法表中入口地址和父类的一样。如果覆盖了,子类的方法表中的入口地址会替换为子类版本的入口地址。
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