图解JVM整体结构、执行流程以及两种架构模型，你学会了吗？

作者：Android开发Alvin老师 2021-10-26 17:26:46

云计算

虚拟化 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，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。

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 JVM整体结构 

• HotSpot VM 是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。
• 方法区和堆：多线程共享
• 虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器：每个线程独有一份
• 执行引擎：包含三部分：解释器，及时编译器(后端编译器)，垃圾回收器
• 它采用解释器与即时编译器并存的架构。
• 在今天，Java 程序的运行性能早已脱胎换骨，已经达到了可以和 C/C++ 程序一较高下的地步。 

Java 代码执行流程 

只是能生成被 Java 虚拟机所能解释的字节码文件，那么理论上就可以自己设计一套代码了

解释器：保证相应时间，负责解释执行的速度

JIT编译器：负责编译的性能，针对字节码指令，热点代码，放在方法区缓存起来，下次遇见直接变成二进制指令

JVM 的架构模型

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，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。

具体来说：这两种架构之间的区别：

基于栈式架构

• 设计和实现更简单，适用于资源受限的系统;
• 避开了寄存器的分配难题：使用零地址指令方式分配。
• 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。指令集更小，编译器容易实现。
• 不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台

基于寄存器架构

• 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。
• 指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差
• 性能优秀和执行更高效
• 花费更少的指令去完成一项操作。
• 在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主

举例

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 

而基于寄存器的计算流程

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

字节码反编译

我们编写一个简单的代码，然后查看一下字节码的反编译后的结果

public class StackStruTest { 
  public static void main(String[] args) { 
    int i = 2 + 3; 
  } 
} 

然后我们找到编译后的 class 文件，使用下列命令进行反编译

javap -v(verbose) StackStruTest.class 

得到的文件为:

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: iconst_2 
         1: istore_1 
         2: iconst_3 
         3: istore_2 
         4: iload_1 
         5: iload_2 
         6: iadd 
         7: istore_3 
         8: return 
      LineNumberTable: 
        line 9: 0 
        line 10: 2 
        line 11: 4 
        line 12: 8 
      LocalVariableTable: 
        Start  Length  Slot  Name   Signature 
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String; 
            2       7     1     i   I 
            4       5     2     j   I 
            8       1     3     k   I 
  

总结

由于跨平台性的设计，Java 的指令都是根据栈来设计的。

不同平台 CPU 架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。

优点是跨平台，指令集小，编译器容易实现

缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

时至今日，尽管嵌入式平台已经不是 Java 程序的主流运行平台了(准确来说应该是 HotSpotVM 的宿主环境已经不局限于嵌入式平台了)，那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢?

总结：因为已经够用了

栈

跨平台性

指令集小

指令多

执行性能比寄存器差