摘要：虛擬機(jī)執(zhí)行程序的基礎(chǔ)是特定的二進(jìn)制指令集和運(yùn)行時(shí)棧幀二進(jìn)制指令集是虛擬機(jī)規(guī)定的一些指令，在編譯后二進(jìn)制字節(jié)碼的類方法里的字節(jié)碼就是這種指令，所以只要找到方法區(qū)里的類方法就可以依照這套指令集去執(zhí)行命令。

這篇文章的素材來(lái)自周志明的《深入理解Java虛擬機(jī)》。

作為Java開(kāi)發(fā)人員，一定程度了解JVM虛擬機(jī)的的運(yùn)作方式非常重要，本文就一些簡(jiǎn)單的虛擬機(jī)的相關(guān)概念和運(yùn)作機(jī)制展開(kāi)我自己的學(xué)習(xí)過(guò)程，是這個(gè)系列的第三篇。

前面我們說(shuō)明了java源碼被編譯成為了二進(jìn)制字節(jié)碼，二進(jìn)制字節(jié)碼轉(zhuǎn)為內(nèi)存中方法區(qū)里存儲(chǔ)的活化對(duì)象，那么最重要的程序執(zhí)行就做好了基礎(chǔ)：當(dāng)方法區(qū)里的字段和方法按照虛擬機(jī)規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)排好，常量池中的符號(hào)引用數(shù)據(jù)在加載過(guò)程中最大限度地轉(zhuǎn)為了直接引用，那么這個(gè)時(shí)候虛擬機(jī)就可以在加載主類后創(chuàng)建新的線程按步執(zhí)行主類的main函數(shù)中的指令了。

java虛擬機(jī)執(zhí)行程序的基礎(chǔ)是特定的二進(jìn)制指令集和運(yùn)行時(shí)棧幀：

二進(jìn)制指令集是java虛擬機(jī)規(guī)定的一些指令，在編譯后二進(jìn)制字節(jié)碼的類方法里的字節(jié)碼就是這種指令，所以只要找到方法區(qū)里的類方法就可以依照這套指令集去執(zhí)行命令。

運(yùn)行時(shí)棧幀是虛擬機(jī)執(zhí)行的物理所在，在這個(gè)棧幀結(jié)構(gòu)上，方法的局部變量、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)鏈接和返回地址依序排列，依照命令動(dòng)態(tài)變換棧幀上的數(shù)據(jù)，最終完成所有的這個(gè)方法上的指令。

棧幀的進(jìn)一步劃分：

局部變量表：包括方法的參數(shù)和方法體內(nèi)部的局部變量都會(huì)存在這個(gè)表中。

操作數(shù)棧：操作數(shù)棧是一個(gè)運(yùn)行中間產(chǎn)生的操作數(shù)構(gòu)成的棧，這個(gè)棧的棧頂保存的就是當(dāng)前活躍的操作數(shù)。

動(dòng)態(tài)鏈接：我們之前提到這個(gè)方法中調(diào)用的方法和類在常量池中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為的直接引用就保存在這里，只要訪問(wèn)到這些方法和類的時(shí)候就會(huì)根據(jù)動(dòng)態(tài)鏈接去直接引用所指的地址加載那些方法。

返回地址：程序正常結(jié)束恢復(fù)上一個(gè)棧幀的狀態(tài)的時(shí)候需要知道上一個(gè)指令的地址。

現(xiàn)在我們使用一個(gè)綜合實(shí)例來(lái)說(shuō)明運(yùn)行的整個(gè)過(guò)程：

源代碼如下，邏輯很簡(jiǎn)單：

public class TestDemo {
    public static int minus(int x){
        return -x;
    }
    public static void main(String[] args) {
        int x = 5;
        int y = minus(x);
    }
}

我們可以分析它的二進(jìn)制字節(jié)碼，當(dāng)然這里我們借助javap工具進(jìn)行分析：

jinhaoplus$ javap -verbose TestDemo
Classfile /Users/jinhao/Desktop/TestDemo.class
  Last modified 2015-10-17; size 342 bytes
  MD5 checksum 4f37459aa1b3438b1608de788d43586d
  Compiled from "TestDemo.java"
public class TestDemo
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #4.#15         // java/lang/Object."":()V
   #2 = Methodref          #3.#16         // TestDemo.minus:(I)I
   #3 = Class              #17            // TestDemo
   #4 = Class              #18            // java/lang/Object
   #5 = Utf8               
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = Utf8               Code
   #8 = Utf8               LineNumberTable
   #9 = Utf8               minus
  #10 = Utf8               (I)I
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               TestDemo.java
  #15 = NameAndType        #5:#6          // "":()V
  #16 = NameAndType        #9:#10         // minus:(I)I
  #17 = Utf8               TestDemo
  #18 = Utf8               java/lang/Object
{
  public TestDemo();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static int minus(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iload_0
         1: ineg
         2: ireturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=3, args_size=1
         0: iconst_5
         1: istore_1
         2: iload_1
         3: invokestatic  #2                  // Method minus:(I)I
         6: istore_2
         7: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 7
}
SourceFile: "TestDemo.java"

這個(gè)過(guò)程是從固化在class文件中的二進(jìn)制字節(jié)碼開(kāi)始，經(jīng)過(guò)加載器對(duì)當(dāng)前類的加載，虛擬機(jī)對(duì)二進(jìn)制碼的驗(yàn)證、準(zhǔn)備和一定的解析，進(jìn)入內(nèi)存中的方法區(qū)，常量池中的符號(hào)引用一定程度上轉(zhuǎn)換為直接引用，使得字節(jié)碼通過(guò)結(jié)構(gòu)化的組織讓虛擬機(jī)了解類的每一塊的構(gòu)成，創(chuàng)建的線程申請(qǐng)到了虛擬機(jī)棧中的空間構(gòu)造出屬于這一線程的棧幀空間，執(zhí)行主類的main方法：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=3, args_size=1
         0: iconst_5
         1: istore_1
         2: iload_1
         3: invokestatic  #2                  // Method minus:(I)I
         6: istore_2
         7: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 2
        line 8: 7
}

首先檢查main的訪問(wèn)標(biāo)志、描述符描述的返回類型和參數(shù)列表，確定可以訪問(wèn)后進(jìn)入Code屬性表執(zhí)行命令，讀入棧深度建立符合要求的操作數(shù)棧，讀入局部變量大小建立符合要求的局部變量表，根據(jù)參數(shù)數(shù)向局部變量表中依序加入?yún)?shù)（第一個(gè)參數(shù)是引用當(dāng)前對(duì)象的this，所以空參數(shù)列表的參數(shù)數(shù)也是1），然后開(kāi)始根據(jù)命令正式執(zhí)行：

0: iconst_5

將整數(shù)5壓入棧頂

1: istore_1

將棧頂整數(shù)值存入局部變量表的slot1（slot0是參數(shù)this）

2: iload_1

將slot1壓入棧頂

3: invokestatic  #2   // Method minus:(I)I

二進(jìn)制invokestatic方法用于調(diào)用靜態(tài)方法，參數(shù)是根據(jù)常量池中已經(jīng)轉(zhuǎn)換為直接引用的常量，意即minus函數(shù)在方法區(qū)中的地址，找到這個(gè)地址調(diào)用函數(shù)，向其中加入的參數(shù)為棧頂?shù)闹?/p>

6: istore_2

將棧頂整數(shù)存入局部變量的slot2

7: return

將返回地址中存儲(chǔ)的PC地址返到PC，棧幀恢復(fù)到調(diào)用前

現(xiàn)在我們分析調(diào)用minus函數(shù)的時(shí)候進(jìn)入minus函數(shù)的過(guò)程：

public static int minus(int);
    descriptor: (I)I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iload_0
         1: ineg
         2: ireturn
      LineNumberTable:
        line 3: 0

同樣的首先檢查minus函數(shù)的訪問(wèn)標(biāo)志、描述符描述的返回類型和參數(shù)列表，確定可以訪問(wèn)后進(jìn)入Code屬性表執(zhí)行命令，讀入棧深度建立符合要求的操作數(shù)棧，讀入局部變量大小建立符合要求的局部變量表，根據(jù)參數(shù)數(shù)向局部變量表中依序加入?yún)?shù)，然后開(kāi)始根據(jù)命令正式執(zhí)行：

0: iload_0

將slot0壓入棧頂，也就是傳入的參數(shù)

1: ineg

將棧頂?shù)闹祻棾鋈∝?fù)后壓回棧頂

2: ireturn

將返回地址中存儲(chǔ)的PC地址返到PC，棧幀恢復(fù)到調(diào)用前

這個(gè)過(guò)程結(jié)束后對(duì)象的生命周期結(jié)束，因此開(kāi)始執(zhí)行GC回收內(nèi)存中的對(duì)象，包括堆中的類對(duì)應(yīng)的java.lang.Class對(duì)象，卸載方法區(qū)中的類。

上面這個(gè)例子中main方法里調(diào)用minus方法的時(shí)候是沒(méi)有二義性的，因?yàn)閺亩M(jìn)制字節(jié)碼里我們可以看到invokestatic方法調(diào)用的是minus方法的直接引用，也就說(shuō)在編譯期這個(gè)調(diào)用就已經(jīng)決定了。這個(gè)時(shí)候我們來(lái)說(shuō)說(shuō)方法調(diào)用，這個(gè)部分的內(nèi)容在前面的類加載時(shí)候提過(guò)，在能夠唯一確定方法的直接引用的時(shí)候虛擬機(jī)會(huì)將常量表里的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用，這樣在運(yùn)行的時(shí)候就可以直接根據(jù)這個(gè)地址找到對(duì)應(yīng)的方法去執(zhí)行，這種時(shí)候的轉(zhuǎn)換才能叫做我們當(dāng)時(shí)提到的在連接過(guò)程中的解析。
但是如果方法是動(dòng)態(tài)綁定的，也就是說(shuō)在編譯期我們并不知道使用哪個(gè)方法（或者叫不知道使用方法的哪個(gè)版本），那么這個(gè)時(shí)候就需要在運(yùn)行時(shí)才能確定哪個(gè)版本的方法將被調(diào)用，這個(gè)時(shí)候才能將符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用。這個(gè)問(wèn)題提到的多個(gè)版本的方法在java中的重載和多態(tài)重寫(xiě)問(wèn)題息息相關(guān)。

重載（override）

public class TestDemo {
    static class Human{
    }
    static class Man extends Human{

    }
    static class Woman extends Human{

    }
    public void sayHello(Human human) {
        System.out.println("hello human");
    }
    public void sayHello(Man man) {
        System.out.println("hello man");
    }
    public void sayHello(Woman woman) {
        System.out.println("hello woman");
    }
    public static void main(String[] args) {
        TestDemo demo = new TestDemo();
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        demo.sayHello(man);
        demo.sayHello(woman);
    }
}

javap結(jié)果：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: new           #7                  // class TestDemo
         3: dup
         4: invokespecial #8                  // Method "":()V
         7: astore_1
         8: new           #9                  // class TestDemo$Man
        11: dup
        12: invokespecial #10                 // Method TestDemo$Man."":()V
        15: astore_2
        16: new           #11                 // class TestDemo$Woman
        19: dup
        20: invokespecial #12                 // Method TestDemo$Woman."":()V
        23: astore_3
        24: aload_1
        25: aload_2
        26: invokevirtual #13                 // Method sayHello:(LTestDemo$Human;)V
        29: aload_1
        30: aload_3
        31: invokevirtual #13                 // Method sayHello:(LTestDemo$Human;)V
        34: return
      LineNumberTable:
        line 21: 0
        line 22: 8
        line 23: 16
        line 24: 24
        line 25: 29
        line 26: 34

重寫(xiě)（overwrite）

public class TestDemo {
    static class Human{
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello human");
        }
    }
    static class Man extends Human{
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello man");
        }
    }
    static class Woman extends Human{
        public void sayHello() {
            System.out.println("hello woman");
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Human man = new Man();
        Human woman = new Woman();
        man.sayHello();
        woman.sayHello();
    }
}

javap結(jié)果：

public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: new           #2                  // class TestDemo$Man
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method TestDemo$Man."":()V
         7: astore_1
         8: new           #4                  // class TestDemo$Woman
        11: dup
        12: invokespecial #5                  // Method TestDemo$Woman."":()V
        15: astore_2
        16: aload_1
        17: invokevirtual #6                  // Method TestDemo$Human.sayHello:()V
        20: aload_2
        21: invokevirtual #6                  // Method TestDemo$Human.sayHello:()V
        24: return
      LineNumberTable:
        line 20: 0
        line 21: 8
        line 22: 16
        line 23: 20
        line 24: 24

我們可以看出來(lái)無(wú)論是重載還是重寫(xiě)，都是二進(jìn)制指令invokevirtual調(diào)用了sayHello方法來(lái)執(zhí)行的。

在重載中，程序調(diào)用的是參數(shù)實(shí)際類型不同的方法，但是虛擬機(jī)最終分派了相同外觀類型（靜態(tài)類型）的方法，這說(shuō)明在重載的過(guò)程中虛擬機(jī)在運(yùn)行的時(shí)候是只看參數(shù)的外觀類型（靜態(tài)類型）的，而這個(gè)外觀類型（靜態(tài)類型）是在編譯的時(shí)候就已經(jīng)確定的，和虛擬機(jī)沒(méi)有關(guān)系。這種依賴靜態(tài)類型來(lái)做方法的分配叫做靜態(tài)分派。

在重寫(xiě)中，程序調(diào)用的是不同實(shí)際類型的同名方法，虛擬機(jī)依據(jù)對(duì)象的實(shí)際類型去尋找是否有這個(gè)方法，如果有就執(zhí)行，如果沒(méi)有去父類里找，最終在實(shí)際類型里找到了這個(gè)方法，所以最終是在運(yùn)行期動(dòng)態(tài)分派了方法。在編譯的時(shí)候我們可以看到字節(jié)碼指示的方法都是一樣的符號(hào)引用，但是運(yùn)行期虛擬機(jī)能夠根據(jù)實(shí)際類型去確定出真正需要的直接引用。這種依賴實(shí)際類型來(lái)做方法的分配叫做動(dòng)態(tài)分派。得益于java虛擬機(jī)的動(dòng)態(tài)分派會(huì)在分派前確定對(duì)象的實(shí)際類型，面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)性才能體現(xiàn)出來(lái)。

前面我們提到的都是類在方法區(qū)中的內(nèi)存分配：

在方法區(qū)中有類的常量池，常量池中保存著類的很多信息的符號(hào)引用，很多符號(hào)引用還轉(zhuǎn)換為了直接引用以使在運(yùn)行的過(guò)程能夠訪問(wèn)到這些信息的真實(shí)地址。

那么創(chuàng)建出的對(duì)象是怎么在堆中分配空間的呢？

首先我們要明確對(duì)象中存儲(chǔ)的大部分的數(shù)據(jù)就是它對(duì)應(yīng)的非靜態(tài)字段和每個(gè)字段方法對(duì)應(yīng)的方法區(qū)中的地址，因?yàn)檫@些東西每個(gè)對(duì)象都是不一樣的，所以必須通過(guò)各自的堆空間存儲(chǔ)這些不一樣的數(shù)據(jù)，而方法是所有同類對(duì)象共用的，因?yàn)榉椒ǖ拿钍且粯拥?，每個(gè)對(duì)象只是在各自的線程棧幀里提供各自的局部變量表和操作數(shù)棧就好。

這樣看來(lái)，堆中存放的是真正“有個(gè)性”的屬于對(duì)象自己的變量，這些變量往往是最占空間的，而這些變量對(duì)應(yīng)的類字段的地址會(huì)找到位于方法區(qū)中，同樣的同類對(duì)象如果要執(zhí)行一個(gè)方法只需要在自己的棧幀里面創(chuàng)建局部變量表和操作數(shù)棧，然后根據(jù)方法對(duì)應(yīng)的方法區(qū)中的地址去尋找到方法體執(zhí)行其中的命令即可，這樣一來(lái)堆里面只存放有限的真正有意義的數(shù)據(jù)和地址，方法區(qū)里存放共用的字段和方法體，能最大程度地減小內(nèi)存開(kāi)銷。