操作數(shù)棧（Operand Stack） 也常稱(chēng)為操作棧，它是一個(gè) 后入先出棧。當(dāng)一個(gè)方法執(zhí)行開(kāi)始時(shí)，這個(gè)方法的操作數(shù)棧是空的，在方法執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)有各種字節(jié)碼指令往操作數(shù)棧中寫(xiě)入和提取內(nèi)容，也就是 出棧/入棧操作。

在概念模型中，一個(gè)活動(dòng)線程中兩個(gè)棧幀是相互獨(dú)立的。但大多數(shù)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)都會(huì)做一些優(yōu)化處理：讓下一個(gè)棧幀的部分操作數(shù)棧與上一個(gè)棧幀的部分局部變量表重疊在一起，這樣的好處是方法調(diào)用時(shí)可以共享一部分?jǐn)?shù)據(jù)，而無(wú)須進(jìn)行額外的參數(shù)復(fù)制傳遞。

2.3 動(dòng)態(tài)連接

每個(gè)棧幀都包含一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個(gè)引用是為了支持方法調(diào)用過(guò)程中的 動(dòng)態(tài)連接；

字節(jié)碼中方法調(diào)用指令是以常量池中的指向方法的符號(hào)引用為參數(shù)的，有一部分符號(hào)引用會(huì)在類(lèi)加載階段或第一次使用的時(shí)候轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化稱(chēng)為 靜態(tài)解析，另外一部分在每次的運(yùn)行期間轉(zhuǎn)化為直接引用，這部分稱(chēng)為 動(dòng)態(tài)連接。

2.4 方法返回地址

當(dāng)一個(gè)方法被執(zhí)行后，有兩種方式退出這個(gè)方法：

• 第一種是執(zhí)行引擎遇到任意一個(gè)方法返回的字節(jié)碼指令，這種退出方法的方式稱(chēng)為 正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。

• 另外一種是在方法執(zhí)行過(guò)程中遇到了異常，并且這個(gè)異常沒(méi)有在方法體內(nèi)得到處理（即本方法異常處理表中沒(méi)有匹配的異常處理器），就會(huì)導(dǎo)致方法退出，這種退出方式稱(chēng)為 異常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。
  注意：這種退出方式不會(huì)給上層調(diào)用者產(chǎn)生任何返回值。

無(wú)論采用何種退出方式，在方法退出后，都需要返回到方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行，方法返回時(shí)可能需要在棧幀中保存一些信息，用來(lái)幫助恢復(fù)它的上層方法的執(zhí)行狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，方法正常退出時(shí)，調(diào)用者的PC計(jì)數(shù)器的值可以作為返回地址，棧幀中很可能會(huì)保存這個(gè)計(jì)數(shù)器值。而方法異常退出時(shí)，返回地址是通過(guò)異常處理器表來(lái)確定的，棧幀中一般不會(huì)保存這部分信息。

方法退出的過(guò)程實(shí)際上等同于把當(dāng)前棧幀出棧，因此退出時(shí)可能執(zhí)行的操作有：恢復(fù)上層方法的局部變量表和操作數(shù)棧，把返回值（如果有的話）壓入調(diào)用者棧幀的操作數(shù)棧中，調(diào)整PC計(jì)數(shù)器的值以指向方法調(diào)用指令后面的一條指令等。

2.5 附加信息

虛擬機(jī)規(guī)范允許虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)向棧幀中添加一些自定義的附加信息，例如與調(diào)試相關(guān)的信息等。

3 方法調(diào)用

方法調(diào)用階段的目的： 確定被調(diào)用方法的版本（哪一個(gè)方法），不涉及方法內(nèi)部的具體運(yùn)行過(guò)程，在程序運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行方法調(diào)用是最普遍、最頻繁的操作。

一切方法調(diào)用在Class文件里存儲(chǔ)的都只是符號(hào)引用，這是需要在類(lèi)加載期間或者是運(yùn)行期間，才能確定為方法在實(shí)際 運(yùn)行時(shí)內(nèi)存布局中的入口地址（相當(dāng)于之前說(shuō)的直接引用）。

3.1 解析

“編譯期可知，運(yùn)行期不可變”的方法（靜態(tài)方法和私有方法），在類(lèi)加載的解析階段，會(huì)將其符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用（入口地址）。這類(lèi)方法的調(diào)用稱(chēng)為“ 解析（Resolution）”。

在Java虛擬機(jī)中提供了5條方法調(diào)用字節(jié)碼指令：

• invokestatic : 調(diào)用靜態(tài)方法
• invokespecial:調(diào)用實(shí)例構(gòu)造器方法、私有方法、父類(lèi)方法
• invokevirtual:調(diào)用所有的虛方法
• invokeinterface:調(diào)用接口方法，會(huì)在運(yùn)行時(shí)在確定一個(gè)實(shí)現(xiàn)此接口的對(duì)象
• invokedynamic:先在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)解析出點(diǎn)限定符所引用的方法，然后再執(zhí)行該方法，在此之前的4條調(diào)用命令的分派邏輯是固化在Java虛擬機(jī)內(nèi)部的，而invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶所設(shè)定的引導(dǎo)方法決定的。

3.2 分派

分派調(diào)用過(guò)程將會(huì)揭示多態(tài)性特征的一些最基本的體現(xiàn)，如“重載”和“重寫(xiě)”在Java虛擬中是如何實(shí)現(xiàn)的。

1 靜態(tài)分派

所有依賴靜態(tài)類(lèi)型來(lái)定位方法執(zhí)行版本的分派動(dòng)作，都稱(chēng)為靜態(tài)分派。靜態(tài)分派發(fā)生在編譯階段。

靜態(tài)分派最典型的應(yīng)用就是方法重載。

package jvm8_3_2;
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("Human guy");
    }
    public void sayhello(Man guy) {
        System.out.println("Man guy");
    }
    public void sayhello(Woman guy) {
        System.out.println("Woman guy");
    }
    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        StaticDispatch staticDispatch = new StaticDispatch();
        staticDispatch.sayhello(man);// Human guy
        staticDispatch.sayhello(woman);// Human guy
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

Human guy

Human guy

為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的結(jié)果呢？

Human man = new Man();其中的Human稱(chēng)為變量的 靜態(tài)類(lèi)型（Static Type）,Man稱(chēng)為變量的 實(shí)際類(lèi)型（Actual Type）。
兩者的區(qū)別是：靜態(tài)類(lèi)型在編譯器可知，而實(shí)際類(lèi)型到運(yùn)行期才確定下來(lái)。
在重載時(shí)通過(guò)參數(shù)的靜態(tài)類(lèi)型而不是實(shí)際類(lèi)型作為判定依據(jù)，因此，在編譯階段，Javac編譯器會(huì)根據(jù)參數(shù)的靜態(tài)類(lèi)型決定使用哪個(gè)重載版本。所以選擇了sayhello(Human)作為調(diào)用目標(biāo)，并把這個(gè)方法的符號(hào)引用寫(xiě)到main()方法里的兩條invokevirtual指令的參數(shù)中。

2 動(dòng)態(tài)分派

在運(yùn)行期根據(jù)實(shí)際類(lèi)型確定方法執(zhí)行版本的分派過(guò)程稱(chēng)為動(dòng)態(tài)分派。最典型的應(yīng)用就是方法重寫(xiě)。

package jvm8_3_2;
public class DynamicDisptch {
    static abstract class Human {
        abstract void sayhello();
    }
    static class Man extends Human {
        @Override
        void sayhello() {
            System.out.println("man");
        }
    }
    static class Woman extends Human {
        @Override
        void sayhello() {
            System.out.println("woman");
        }
    }
    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayhello();
        woman.sayhello();
        man = new Woman();
        man.sayhello();
    }
}

運(yùn)行結(jié)果：

man

woman

woman

3 單分派和多分派

方法的接收者、方法的參數(shù)都可以稱(chēng)為方法的宗量。根據(jù)分批基于多少種宗量，可以將分派劃分為單分派和多分派。 單分派是根據(jù)一個(gè)宗量對(duì)目標(biāo)方法進(jìn)行選擇的，多分派是根據(jù)多于一個(gè)的宗量對(duì)目標(biāo)方法進(jìn)行選擇的。

Java在進(jìn)行靜態(tài)分派時(shí)，選擇目標(biāo)方法要依據(jù)兩點(diǎn)：一是變量的靜態(tài)類(lèi)型是哪個(gè)類(lèi)型，二是方法參數(shù)是什么類(lèi)型。因?yàn)橐鶕?jù)兩個(gè)宗量進(jìn)行選擇，所以Java語(yǔ)言的靜態(tài)分派屬于多分派類(lèi)型。

運(yùn)行時(shí)階段的動(dòng)態(tài)分派過(guò)程，由于編譯器已經(jīng)確定了目標(biāo)方法的簽名（包括方法參數(shù)），運(yùn)行時(shí)虛擬機(jī)只需要確定方法的接收者的實(shí)際類(lèi)型，就可以分派。因?yàn)槭歉鶕?jù)一個(gè)宗量作為選擇依據(jù)，所以Java語(yǔ)言的動(dòng)態(tài)分派屬于單分派類(lèi)型。

注：到JDK1.7時(shí)，Java語(yǔ)言還是靜態(tài)多分派、動(dòng)態(tài)單分派的語(yǔ)言，未來(lái)有可能支持動(dòng)態(tài)多分派。

4 虛擬機(jī)動(dòng)態(tài)分派的實(shí)現(xiàn)

由于動(dòng)態(tài)分派是非常頻繁的動(dòng)作，而動(dòng)態(tài)分派在方法版本選擇過(guò)程中又需要在方法元數(shù)據(jù)中搜索合適的目標(biāo)方法，虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)出于性能的考慮，通常不直接進(jìn)行如此頻繁的搜索，而是采用優(yōu)化方法。

其中一種“穩(wěn)定優(yōu)化”手段是：在類(lèi)的方法區(qū)中建立一個(gè) 虛方法表（Virtual Method Table, 也稱(chēng)vtable, 與此對(duì)應(yīng)，也存在接口方法表——Interface Method Table，也稱(chēng)itable）。 使用虛方法表索引來(lái)代替元數(shù)據(jù)查找以提高性能。其原理與C++的虛函數(shù)表類(lèi)似。

虛方法表中存放的是各個(gè)方法的實(shí)際入口地址。如果某個(gè)方法在子類(lèi)中沒(méi)有被重寫(xiě)，那子類(lèi)的虛方法表里面的地址入口和父類(lèi)中該方法相同，都指向父類(lèi)的實(shí)現(xiàn)入口。虛方法表一般在類(lèi)加載的連接階段進(jìn)行初始化。

3.3 動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言的支持

JDK新增加了invokedynamic指令來(lái)是實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言”。

靜態(tài)語(yǔ)言和動(dòng)態(tài)語(yǔ)言的區(qū)別：

• 靜態(tài)語(yǔ)言（強(qiáng)類(lèi)型語(yǔ)言）：
  靜態(tài)語(yǔ)言是在編譯時(shí)變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型即可確定的語(yǔ)言，多數(shù)靜態(tài)類(lèi)型語(yǔ)言要求在使用變量之前必須聲明數(shù)據(jù)類(lèi)型。
  例如：C++、Java、Delphi、C#等。
• 動(dòng)態(tài)語(yǔ)言（弱類(lèi)型語(yǔ)言） ：
  動(dòng)態(tài)語(yǔ)言是在運(yùn)行時(shí)確定數(shù)據(jù)類(lèi)型的語(yǔ)言。變量使用之前不需要類(lèi)型聲明，通常變量的類(lèi)型是被賦值的那個(gè)值的類(lèi)型。
  例如PHP/ASP/Ruby/Python/Perl/ABAP/SQL/JavaScript/Unix Shell等等。
• 強(qiáng)類(lèi)型定義語(yǔ)言 ：
  強(qiáng)制數(shù)據(jù)類(lèi)型定義的語(yǔ)言。也就是說(shuō)，一旦一個(gè)變量被指定了某個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型，如果不經(jīng)過(guò)強(qiáng)制轉(zhuǎn)換，那么它就永遠(yuǎn)是這個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型了。舉個(gè)例子：如果你定義了一個(gè)整型變量a,那么程序根本不可能將a當(dāng)作字符串類(lèi)型處理。強(qiáng)類(lèi)型定義語(yǔ)言是類(lèi)型安全的語(yǔ)言。
• 弱類(lèi)型定義語(yǔ)言 ：
  數(shù)據(jù)類(lèi)型可以被忽略的語(yǔ)言。它與強(qiáng)類(lèi)型定義語(yǔ)言相反, 一個(gè)變量可以賦不同數(shù)據(jù)類(lèi)型的值。強(qiáng)類(lèi)型定義語(yǔ)言在速度上可能略遜色于弱類(lèi)型定義語(yǔ)言，但是強(qiáng)類(lèi)型定義語(yǔ)言帶來(lái)的嚴(yán)謹(jǐn)性能夠有效的避免許多錯(cuò)誤。

4 基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎

虛擬機(jī)如何調(diào)用方法的內(nèi)容已經(jīng)講解完畢，現(xiàn)在我們來(lái)探討虛擬機(jī)是如何執(zhí)行方法中的字節(jié)碼指令。

4.1 解釋執(zhí)行

Java語(yǔ)言經(jīng)常被人們定位為 “解釋執(zhí)行”語(yǔ)言，在Java初生的JDK1.0時(shí)代，這種定義還比較準(zhǔn)確的，但當(dāng)主流的虛擬機(jī)中都包含了即時(shí)編譯后，Class文件中的代碼到底會(huì)被解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行，就成了只有虛擬機(jī)自己才能準(zhǔn)確判斷的事情。再后來(lái)，Java也發(fā)展出來(lái)了直接生成本地代碼的編譯器[如何GCJ（GNU Compiler for the Java）]，而C/C++也出現(xiàn)了通過(guò)解釋器執(zhí)行的版本（如CINT），這時(shí)候再籠統(tǒng)的說(shuō)“解釋執(zhí)行”，對(duì)于整個(gè)Java語(yǔ)言來(lái)說(shuō)就成了幾乎沒(méi)有任何意義的概念， 只有確定了談?wù)搶?duì)象是某種具體的Java實(shí)現(xiàn)版本和執(zhí)行引擎運(yùn)行模式時(shí)，談解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行才會(huì)比較確切。

Java語(yǔ)言中，javac編譯器完成了程序代碼經(jīng)過(guò)詞法分析、語(yǔ)法分析到抽象語(yǔ)法樹(shù)，再遍歷語(yǔ)法樹(shù)生成線性的字節(jié)碼指令流的過(guò)程，因?yàn)檫@一部分動(dòng)作是在Java虛擬機(jī)之外進(jìn)行的，而解釋器在虛擬機(jī)內(nèi)部，所以Java程序的編譯就是半獨(dú)立實(shí)現(xiàn)的，

4.2 基于棧的指令集和基于寄存器的指令集

Java編譯器輸出的指令流，基本上是一種 基于棧的指令集架構(gòu)（Instruction Set Architecture，ISA）， 依賴操作數(shù)棧進(jìn)行工作。與之相對(duì)應(yīng)的另一套常用的指令集架構(gòu)是 基于寄存器的指令集， 依賴寄存器進(jìn)行工作。

那么， 基于棧的指令集和基于寄存器的指令集這兩者有什么不同呢？

舉個(gè)簡(jiǎn)單例子，分別使用這兩種指令計(jì)算1+1的結(jié)果， 基于棧的指令集是這個(gè)樣子：
iconst_1

iconst_1

iadd

istore_0

兩條iconst_1指令連續(xù)把兩個(gè)常量1壓入棧后，iadd指令把棧頂?shù)膬蓚€(gè)值出棧、相加，然后將結(jié)果放回棧頂，最后istore_0把棧頂?shù)闹捣诺骄植孔兞勘碇械牡?個(gè)Slot中。

如果基于寄存器的指令集，那程序可能會(huì)是這個(gè)樣子：

mov eax, 1

add eax, 1

mov指令把EAX寄存器的值設(shè)置為1，然后add指令再把這個(gè)值加1，將結(jié)果就保存在EAX寄存器里面。

基于棧的指令集主要的優(yōu)點(diǎn)就是可移植，寄存器是由硬件直接提供，程序直接依賴這些硬件寄存器則不可避免地要受到硬件的約束。

棧架構(gòu)的指令集還有一些其他的優(yōu)點(diǎn)，如代碼相對(duì)更加緊湊，編譯器實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)單等。
棧架構(gòu)指令集的主要缺點(diǎn)是執(zhí)行速度相對(duì)來(lái)說(shuō)會(huì)稍微慢一些。

總結(jié)