05-字节码执行引擎

字节码执行引擎

字节码执行引擎功能就是输入字节码文件，然后对字节码文件进行解析和处理，最后输出执行结果，实现方式有如下两种，都是基于栈的（两种共存）：

通过解释器直接解释执行字节码
通过即时编译器产生本地代码，即编译执行

在Java中，程序的执行可以说就是方法的执行，方法的执行就会产生栈帧

栈帧是用于JVM进行方法调用和方法执行的数据结构，是线程私有的，也就是说栈帧会锁着方法的调用而创建，随着方法结束而销毁
主要存储了方法的局部变量、操作数栈、动态连接、方法返回地址等信息

局部变量表

最消耗内存的就是变量，栈帧中使用局部变量表存储局部变量（引用类型值存放了地址），局部变量表就是用来存放方法参数和方法内部定义的局部变量存储空间

局部变量内存大小以变量槽slot为单位，目前一个slot存放32位以内的数据类型，对于64位数据就占2个slot
对实例方法来说，第0位slot存放的就是this，后面依次是方法的参数，再之后依次是方法体内部的局部变量；对于静态方法来说就将第0位slot去除了
不同局部变量作用域中位置相同的局部变量，slot是复用的，以节省栈帧的空间，这种设计可能会影响系统的垃圾回收行为

为了方便查看程序的效果，使用-XX:+UseConcMarkSweepGC -Xms5m -Xmx5m -Xlog:gc+heap=debug参数运行程序

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    byte[] bytes = new byte[2 * 1024 * 1024];   //分配2MB空间
    System.gc();  //建议GC

    System.out.println("总内存(totalMemory):" + Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("剩余内存(freeMemory):" + Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("最大内存(maxMemory):" + Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
  }
}

发现上述程序是否使用System.gc();建议GC并没有起到作用，原因是GC语句与该分配内存空间同属于一个作用域，由于该方法的局部变量表还对其有引用，所以无法回收；将程序该为下面就可回收，原因就是slot是复用的，当作用域结束时，下面局部变量会覆盖到上面局部变量的slot，该方法的局部变量表不在引用上面分配内存空间，所以就可以回收

public class Main {
  public static void main(String[] args) {
    {
      byte[] bytes1 = new byte[1024 * 1024];   //分配1MB空间
      byte[] bytes2 = new byte[1024 * 1024];   //分配1MB空间
    }
    int a = 0;  //覆盖bytes1
//    int b = 0;  //覆盖bytes2
    System.gc();  //建议GC

    System.out.println("总内存(totalMemory):" + Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("剩余内存(freeMemory):" + Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("最大内存(maxMemory):" + Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
  }
}

同样的将不使用的局部变量置为空，也有相同的效果

public class Main {
  public static void main(String[] args) {

    byte[] bytes = new byte[2 * 1024 * 1024];   //分配2MB空间
    bytes = null;  //置为null

    System.gc();  //建议GC

    System.out.println("总内存(totalMemory):" + Runtime.getRuntime().totalMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("剩余内存(freeMemory):" + Runtime.getRuntime().freeMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
    System.out.println("最大内存(maxMemory):" + Runtime.getRuntime().maxMemory() / 1024.0 / 1024.0 + "MB");
  }
}

操作数栈

操作数栈就是用来存放方法运行期间，各个指令操作的数据

操作数栈中的数据类型必须和字节码指令顺序严格匹配，也就是说iload_1这条指令，slot位置1的数据必须是int
从概念模型上说，栈帧作为虚拟机栈的元素，应该是相互独立的，但是虚拟机在实现栈帧时可能会做一些优化，让两个栈帧出现部分重叠，用于存放公用数据

使用下面程序进行演示

public class Main {
  public int add(int a, int b) {
    int c = a + b;
    return a + b + c;
  }

  public static void main(String[] args) {
    int result = new Main().add(1, 2);
    System.out.println(result);
  }
}

使用javap工具进行反编译该类的Class文件，下面是反编译后的部分内容，基本执行过程如下中文注释

{
  public int add(int, int);
    //  ...
    Code:
      //  ...                                // 将this和参数a和b依次添加到局部变量表中
         0: iload_1                          // 将slot位置1的数入栈
         1: iload_2                          // 将slot位置2的数入栈
         2: iadd                             // 将操作数栈中栈顶和次栈顶数相加后入栈
         3: istore_3                         // 将栈顶的数添加到局部变量表位置3
         4: iload_1                          // 将slot位置1的数入栈
         5: iload_2                          // 将slot位置2的数入栈
         6: iadd                             // 将操作数栈中栈顶和次栈顶数相加后入栈
         7: iload_3                          // 将slot位置3的数入栈
         8: iadd                             // 将操作数栈中栈顶和次栈顶数相加后入栈
         9: ireturn                          // 返回栈顶内容
      //  ...
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  this   LMain;
            0      10     1     a   I
            0      10     2     b   I
            4       6     3     c   I

  public static void main(java.lang.String[]);
    //  ...
    Code:
      //  ...
         0: new           #2                  // class Main
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
         7: iconst_1                          // 常量1，就是向方法中传递的字面量
         8: iconst_2                          // 常量2，就是向方法中传递的字面量
         9: invokevirtual #4                  // Method add:(II)I  调用add()方法
        12: istore_1                          // 将栈顶的数添加到局部变量表位置1 
        13: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        16: iload_1                           // 将slot位置1的数入栈
        17: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        20: return
      //  ...
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      21     0  args   [Ljava/lang/String;
           13       8     1 result   I
}