JVM的执行引擎

执行引擎

执行引擎属于 JVM 的下层，包括解释器、即时编译器、垃圾回收器，是Java虚拟机核心的组成部分之一。

一、指令、汇编、高级语言

1、机器码

• 用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。
• 用机器码编写的程序一经输入计算机，CPU 直接读取运行，因此和其他语言编的程序相比，执行速度最快。
• 机器指令与 CPU 紧密相关，所以不同种类的 CPU 所对应的机器指令也不同。
• 机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，用它编程容易出差错。

2、指令

由于机器码是由 0 和 1 组成的二进制序列，可读性实在太差，于是人们发明了指令。

指令就是把机器码中特定的 0 和 1 序列，简化成对应的指令（一般为英文简写，如 mov，inc 等），可读性稍好

不同的硬件平台执行同一个操作，机器码可能不同；因此不同的硬件平台的同一种指令（比如 mov），对应的机器码也可能不同。

3、指令集

不同的硬件平台，各自支持的指令，是有差别的。因此每个平台所支持的指令，称之为对应平台的指令集。 如常见的

• x86 指令集，对应的是 x86 架构的平台
• ARM 指令集，对应的是 ARM 架构的平台

4、汇编语言

由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。

• 汇编语言中，用助记符（Mnemonics）代替机器指令的操作码，用 地址符号（Symbol）或标号（Label）代替指令或操作数的地址
• 在不同的硬件平台，汇编语言对应着不同的机器语言指令集，通过汇编过程转换成机器指令。

由于计算机只认识指令码，所以用汇编语言编写的程序还必须翻译成机器指令码，计算机才能识别和执行。

5、高级语言

为了使计算机用户编程序更容易些，后来就出现了各种高级计算机语言。高级语言是比机器语言、汇编语言更通俗易懂的语言。

当计算机执行高级语言编写的程序时，仍然需要把程序解释和编译成机器的指令码。完成这个过程的程序就叫做解释程序或编译程序。

注意：高级语言不是直接翻译成机器指令的，而是先翻译成汇编语言，再由汇编语言翻译成机器指令。

1. 编译过程：读取源程序（字符流），对之进行词法和语法的分析，将高级语言指令转换为功能等效的汇编代码
2. 汇编过程：把汇编语言代码翻译成目标机器指令的过程。

6、字节码

• 字节码是一种二进制代码（文件），比机器码更抽象，需要直译器转译后才能成为机器码。
• 字节码主要为了实现特定软件运行和软件环境、与硬件环境无关。
• 字节码的实现方式是通过编译器和虚拟机。
  • 编译器 将源码编译成字节码，
  • 特定平台的虚拟机 将字节码转译为可以直接执行的指令。

1. 前端编译：Java程序 --> 字节码文件的过程
2. 后端编译：字节码文件 --> 执行的过程（这里有两种行为：一种是解释执行，一种是编译执行）

二、执行引擎

1、虚拟机 vs 物理机

「虚拟机」是一个相对于「物理机」的概念，这两种机器都有代码执行能力，区别在于：

• 物理机的执行引擎：直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上
• 虚拟机的执行引擎：由软件自行实现，可以不受物理条件制约地定制指令集与执行引擎的结构体系。

因此，JVM的执行引擎能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

2、JVM的执行引擎

JVM的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能够直接运行在操作系统之上，因为字节码指令并非等价于本地机器指令，它内部包含的仅仅只是一些能够被JVM所识别的字节码指令、符号表，以及其他辅助信息。

JVM的执行引擎，就是 将 字节码二进制流 解释/编译为 对应平台上的本地机器指令 执行。

1. 在程序执行过程中，执行引擎需要执行什么字节码指令，完全依赖于 PC寄存器 / 程序计数器。
2. 每执行完一条指令过后，PC寄存器 就会更新下一条需要被执行的指令地址。

方法在执行的过程中，执行引擎也有可能会通过存储在局部变量表中的对象引用，准确定位到存储在 Java 堆区中的对象实例信息，以及通过 对象头中的元数据指针 定位到 目标对象的类型信息。

三、Java代码编译和执行过程

1、编译 和 执行过程

大部分的 程序代码 转换成 物理机的目标代码 或 虚拟机能执行的指令集 之前，都需要经过下图中的各个步骤：

1. 前面橙色部分是编译生成字节码文件的过程（javac编译器来完成，也就是前端编译器），和JVM没有关系。
2. 后面绿色（解释执行）和蓝色（即时编译）才是JVM需要考虑的过程（也就是class文件的编译执行）

前端编译：Java源代码 --> 字节码文件的过程（由 javac编译器 完成）

后端编译：字节码文件 --> 执行的过程（这里有两种行为：一种是解释执行，一种是编译执行）

2、HotSpot VM

HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用解释器与即时编译器并存的架构。

3、如何理解 半编译半解释性语