我们都知道，在当前的Java中（1.0）之后，编译器讲源代码转成字节码，那么字节码如何被执行的呢？这就涉及到了JVM的字节码执行引擎，执行引擎负责具体的代码调用及执行过程。就目前而言，所有的执行引擎的基本一致：

1. 输入：字节码文件
2. 处理：字节码解析
3. 输出：执行结果。

物理机的执行引擎是由硬件实现的，和物理机的执行过程不同的是虚拟机的执行引擎由于自己实现的。

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运行时候的栈结构

每一个线程都有一个栈,也就是前文中提到的虚拟机栈，栈中的基本元素我们称之为栈帧。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。每个栈帧都包括了一下几部分：局部变量表、操作数栈、动态连接、方法的返回地址 和一些额外的附加信息。栈帧中需要多大的局部变量表和多深的操作数栈在编译代码的过程中已经完全确定，并写入到方法表的Code属性中。在活动的线程中，位于当前栈顶的栈帧才是有效的，称之为当前帧，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。执行引擎运行的所有字节码指令只针对当前栈帧进行操作。需要注意的是一个栈中能容纳的栈帧是受限，过深的方法调用可能会导致StackOverFlowError，当然，我们可以认为设置栈的大小。其模型示意图大体如下：

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针对上面的栈结构，我们重点解释一下局部变量表，操作栈，指令计数器几个概念：

1、局部变量表

是变量值的存储空间，由方法参数和方法内部定义的局部变量组成，其容量用Slot1作为最小单位。在编译期间，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。由于局部变量表是建立在线程的栈上，是线程的私有数据，因此不存在数据安全问题。在方法执行时，虚拟机通过使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。如果是实例方法，那局部变量表第0位索引的Slot存储的是方法所属对象实例的引用，因此在方法内可以通过关键字this来访问到这个隐含的参数。其余的参数按照参数表顺序排列，参数表分配完毕之后，再根据方法体内定义的变量的顺序和作用域分配。我们知道类变量表有两次初始化的机会，第一次是在“准备阶段”，执行系统初始化，对类变量设置零值，另一次则是在“初始化”阶段，赋予程序员在代码中定义的初始值。和类变量初始化不同的是，局部变量表不存在系统初始化的过程，这意味着一旦定义了局部变量则必须人为的初始化，否则无法使用。举例说明：

public void test(){
    call(2,3);
    ...
    call2(2,3);
}

public void call(int i,int j){
    int b=2;
      ...
}

public static void call2(int i,int j){
    int b=2;
    ...
}
  
  

   
   
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为了方便起见，假设以上两段代码在同一个类中。这时call()所对应的栈帧中的局部变量表大体如下：

而call2()所对应的栈帧的局部变量表大体如下：

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2、操作数栈

后入先出栈，由字节码指令往栈中存数据和取数据，栈中的任何一个元素都是可以任意的Java数据类型。和局部变量类似，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。当一个方法刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数中写入和提取内容，也就是出栈/入栈操作。操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配2，这由编译器在编译器期间进行验证，同时在类加载过程中的类检验阶段的数据流分析阶段要再次验证。另外我们说Java虚拟机的解释引擎是基于栈的执行引擎，其中的栈指的就是操作数栈。

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3、动态连接

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，持有该引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。

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4、方法返回地址

存放调用调用该方法的pc计数器的值。当一个方法开始之后，只有两种方式可以退出这个方法：1、执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，也就是所谓的正常完成出口。2、在方法执行的过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种方式成为异常完成出口。正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。
无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置，方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，而通过异常退出的，返回地址是要通过异常处理器表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。

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方法调用

方法调用的主要任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），该过程不涉及方法具体的运行过程。按照调用方式共分为两类：

1. 解析调用是静态的过程，在编译期间就完全确定目标方法。
2. 分派调用即可能是静态，也可能是动态的，根据分派标准可以分为单分派和多分派。两两组合有形成了静态单分派、静态多分派、动态单分派、动态多分派

解析

在Class文件中，所有方法调用中的目标方法都是常量池中的符号引用，在类加载的解析阶段，会将一部分符号引用转为直接引用，也就是在编译阶段就能够确定唯一的目标方法，这类方法的调用成为解析调用。此类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，因此决定了他们都不可能通过继承或者别的方式重写该方法，符合这两类的方法主要有以下几种：静态方法、私有方法、实例构造器、父类方法。虚拟机中提供了以下几条方法调用指令：

1. invokestatic：调用静态方法，解析阶段确定唯一方法版本
2. invokespecial：调用<init>方法、私有及父类方法，解析阶段确定唯一方法版本
3. invokevirtual：调用所有虚方法
4. invokeinterface：调用接口方法
5. invokedynamic：动态解析出需要调用的方法，然后执行

前四条指令固化在虚拟机内部，方法的调用执行不可认为干预，而invokedynamic指令则支持由用户确定方法版本。其中invokestatic指令和invokespecial指令调用的方法称为非虚方法，其余的（final修饰的除外[^footnote4]）称为虚方法。

分派

jvm中分配Dispatch的概念 分派是针对方法而言的，指的是方法确定的过程，通常发生在方法调用的过程中。分派根据方法选择的发生时机可以分为静态分派和动态分派，其中对于动态分派，根据宗量种数又可以分为单分派和多分派。实际上指的是方法的接收者和属性的所有者的类型确定（determine by atual type or determine by static type）。根据类型确定发生在运行期还是编译期以及依据实际类型还是静态类型，可以将Dispatch分为动态分配Dynamic Dispatch和静态分配Static Dispatch两类。

虚方法和非虚方法

在理解动态绑定和静态绑定之前必须先理解虚方法和非虚方法。
①非虚方法
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、 final方法，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。这些方法可以称为非虚方法。
②虚方法
非私有的实例方法等。

静态分配Static Dispatch

静态分派的典型应用是方法重载overlord。静态分派指的是在编译期间进行的方法选择，通常以方法名称，方法接收者和方法参数的静态类型来作为方法选择的依据。这些可以静态分派的方法一般都具有“签名唯一性”的特点（签名只考虑参数的静态类型而不管参数的实际类型），即不会出现相同签名的方法，因此可以在编译期就实现方法确定。Java中的非虚方法（主要包括静态方法，私有方法，final方法等，这些方法一般不可重写，故而不会有相同签名的情况出现）通常仅需要静态分派就可以实现方法的最终确定，更特别一点的例子是静态方法的隐藏，也是利用了静态分派，后面会专门讲解。虚方法的重载在编译时也用到了静态分派（尽管虚方法的调用在运行时还会涉及动态分派）。静态分配实例：

public class StaticDispatch{
static abstract class Human{
}
static class Man extends Human{
}
static class Woman extends Human{
}
    public void sayHello(Human guy){
        System.out.println("hello,guy！");
    }
    public void sayHello(Man guy){
        System.out.println("hello,gentleman！");
    }
    public void sayHello(Woman guy){
        System.out.println("hello,lady！");
    }
    public static void main(String[]args){
        Human man=new Man();
        Human woman=new Woman();
        StaticDispatch sr=new StaticDispatch();
        sr.sayHello(man);
        sr.sayHello(woman);
}
}

运行结果：

hello,guy！
hello,guy！

动态分配Dynamic Dispatch

动态分派的典型应用是方法重写override动态分派是指方法的确定在run-time才能最终完成。使用动态分派来实现方法确定的方法一般在编译期间都是一些“不明确”的方法（比如一些重写方法，拥有相同的方法签名并且方法接收者的静态类型可能也相同），因此只能在运行时期根据方法接收者和方法参数的实际类型最终实现方法确定。Java中的虚方法（主要指实例方法） 通常需要在运行期采用动态分派来实现方法确定（利用invokevirtual指令获取方法接收者的实际类型）。动态分配实例：

public class DynamicDispatch{
    static abstract class Human{
        protected abstract void sayHello（）；
    }
    static class Man extends Human{
        @Override
        protected void sayHello（）{
        System.out.println（"man say hello"）；
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        @Override
        protected void sayHello（）{
        System.out.println（"woman say hello"）；
        }
    }
    public static void main（String[]args）{
        Human man=new Man（）；
        Human woman=new Woman（）；
        man.sayHello（）；
        woman.sayHello（）；
        man=new Woman（）；
        man.sayHello（）；
    }
}

运行结果：

man say hello
woman say hello
woman say hello

相关笔试面试题

class Person{
  int age = 30;
  int getAge(){
    return age;
  }
}
class Man extends Person{
  int age = 40;
  int height = 160;
  int getAge(){
    return age;
  }
}
public class Demo{
  public static void main(String[] args){
    Person a = new Man();
    //  a.age内部主要通过如下字节码实现：
    //  getfield      #5                  // Field test/Person.age:I
    System.out.println(a.age);
    //  a.getAge()内部主要通过如下字节码实现：
    //  invokevirtual #7                  // Method test/Person.getAge:()I
    System.out.println(a.getAge());
  }
}

运行结果：

30
40

上面题目不仅涉及到Dispatch而且涉及到了Binding,

Static Binding

类型在编译期就已经可以确定，并且该类型确定在运行期保持不变，即最终通过静态类型确定该变量类型。Java中，在Java中，静态绑定通常用于属性所有者的类型绑定，非虚方法（类方法，私有方法，构造器方法，final方法）接收者的类型绑定，以及方法参数的类型绑定。

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上例中，**age属性是对象属性，age属性的所有者（对象a）在此次访问中是静态绑定**，因此这里对象a的类型在编译期被确定为a的静态类型Person，并且该类型确定后在运行期执行getfield指令时也不会发生改变，最后”a.age”调用的是a的静态类型Person的age属性值。这里也涉及到了属性隐藏的问题：父类和子类有同名域时，域的访问是通过域的所有者的静态类型决定的。比如上面例子中如果想访问子类Man中的age，则必须将对象a强制转型为Man，或者在当时创建之初就声明为Man类型而非Person类型。

通过静态绑定来实现访问对象属性所有者类型绑定的好处在于：编译期就可以确定最终类型，避免了动态查找，高效快速，但是是以牺牲一部分灵活性为代价的。

Dynamic Binding

类型在运行时才能最终确定，通过最终实际类型（运行时类型）来确定变量类型。Java中，动态绑定通常用于虚方法（如非私有的实例方法等）接收者的类型绑定。

某些动态类型语言将动态绑定作为默认的内部实现。Java作为一种静态类型语言，采取了一些其他的方法来实现动态绑定（比如invokevirtual指令动态识别对象的实际类型）。

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上面例子中，**getAge()属于虚方法， getAge()方法的接收者（对象a）在此次访问中是动态绑定**，因此这里对象a的类型尽管在编译期被标记为Person，最后在运行期会被invokevirtual指令重新确定为a的实际类型Man，并在Man中查找能够匹配符号引用中方法名和描述符的方法，因此”a.getAge()”调用的是a的实际类型Man的getAge方法。

JVM实现动态分派

动态分派在Java中被大量使用，使用频率及其高，如果在每次动态分派的过程中都要重新在类的方法元数据中搜索合适的目标的话就可能影响到执行效率，因此JVM在类的方法区中建立虚方法表（virtual method table）来提高性能。每个类中都有一个虚方法表，表中存放着各个方法的实际入口。如果某个方法在子类中没有被重写，那子类的虚方法表中该方法的地址入口和父类该方法的地址入口一样，即子类的方法入口指向父类的方法入口。如果子类重写父类的方法，那么子类的虚方法表中该方法的实际入口将会被替换为指向子类实现版本的入口地址。
那么虚方法表什么时候被创建？虚方法表会在类加载的连接阶段被创建并开始初始化，类的变量初始值准备完成之后，JVM会把该类的方法表也初始化完毕。

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方法的执行

解释执行

在jdk 1.0时代，Java虚拟机完全是解释执行的，随着技术的发展，现在主流的虚拟机中大都包含了即时编译器(JIT)。因此，虚拟机在执行代码过程中，到底是解释执行还是编译执行，只有它自己才能准确判断了，但是无论什么虚拟机，其原理基本符合现代经典的编译原理，如下图所示：

(注：JIT是一种提高程序运行效率的方法。通常，程序有两种运行方式：静态编译与动态解释。静态编译的程序在执行前全部被翻译为机器码，而动态解释执行的则是一句一句边运行边翻译。
        在Java编程语言和环境中，即时编译器（JIT compiler，just-in-time compiler）是一个把Java的字节码（包括需要被解释的指令的程序）转换成可以直接发送给处理器的指令的程序。当你写好一个Java程序后，源语言的语句将由Java编译器编译成字节码，而不是编译成与某个特定的处理器硬件平台对应的指令代码（比如，Intel的Pentium微处理器或IBM的System/390处理器）。字节码是可以发送给任何平台并且能在那个平台上运行的独立于平台的代码。)

在Java中，javac编译器完成了词法分析、语法分析以及抽象语法树的过程，最终遍历语法树生成线性字节码指令流的过程，此过程发生在虚拟机外部。

基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

Java编译器输入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是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈。另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构，典型的应用是x86的二进制指令集，比如传统的PC以及Android的Davlik虚拟机。两者之间最直接的区别是，基于栈的指令集架构不需要硬件的支持，而基于寄存器的指令集架构则完全依赖硬件，这意味基于寄存器的指令集架构执行效率更高，单可移植性差，而基于栈的指令集架构的移植性更高，但执行效率相对较慢，初次之外，相同的操作，基于栈的指令集往往需要更多的指令，比如同样执行2+3这种逻辑操作，其指令分别如下：
基于栈的计算流程（以Java虚拟机为例）：

iconst_2  //常量2入栈
istore_1  
iconst_3  //常量3入栈
istore_2
iload_1
iload_2
iadd      //常量2、3出栈，执行相加
istore_0  //结果5入栈
  
  

   
   
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而基于寄存器的计算流程：

mov eax,2  //将eax寄存器的值设为1
add eax,3  //使eax寄存器的值加3
  
  

   
   
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基于栈的代码执行示例

下面我们用简单的案例来解释一下JVM代码执行的过程，代码实例如下：

public class MainTest {
    public  static int add(){
        int result=0;
        int i=2;
        int j=3;
        int c=5;
        return result =(i+j)*c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        MainTest.add();
    }
}

  
  

   
   
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使用javap指令查看字节码：

{
  public MainTest();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 2: 0

  public static int add();
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=0     //栈深度2，局部变量4个，参数0个
         0: iconst_0  //对应result=0,0入栈
         1: istore_0  //取出栈顶元素0，将其存放在第0个局部变量solt中
         2: iconst_2  //对应i=2,2入栈
         3: istore_1  //取出栈顶元素2，将其存放在第1个局部变量solt中
         4: iconst_3  //对应 j=3，3入栈
         5: istore_2  //取出栈顶元素3，将其存放在第2个局部变量solt中
         6: iconst_5  //对应c=5，5入栈
         7: istore_3  //取出栈顶元素，将其存放在第3个局部变量solt中
         8: iload_1   //将局部变量表的第一个slot中的数值2复制到栈顶
         9: iload_2   //将局部变量表中的第二个slot中的数值3复制到栈顶
        10: iadd      //两个栈顶元素2,3出栈，执行相加，将结果5重新入栈
        11: iload_3   //将局部变量表中的第三个slot中的数字5复制到栈顶
        12: imul      //两个栈顶元素出栈5,5出栈，执行相乘，然后入栈
        13: dup       //复制栈顶元素25，并将复制值压入栈顶.
        14: istore_0  //取出栈顶元素25，将其存放在第0个局部变量solt中
        15: ireturn   //将栈顶元素25返回给它的调用者
      LineNumberTable:
        line 4: 0
        line 5: 2
        line 6: 4
        line 7: 6
        line 8: 8

  public static void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: invokestatic  #2                  // Method add:()I
         3: pop
         4: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 13: 4
}

  
  

   
   
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执行过程中代码、操作数栈和局部变量表的变化情况如下：