JVM_20_执行引擎概述

执行引擎概述

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• “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，其区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、缓存、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机的执行引擎则是由软件自行实现的，因此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，能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。
• Java虚拟机的主要任务是负责装载字节码到其内部，但字节码并不能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。
  执行引擎的任务就是将字节码指令解释/编译为对应平台上的本地机器指令才可以。简单来说，JVM中的执行引擎充当了将高级语言翻译为机器语言的译者。

执行引擎的工作过程

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• 从外观上开看，所有Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的：输入的是字节码二进制流，处理过程是字节码解析执行的等效过程，输出的是执行结果。

Java代码编译和执行的过程

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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，都需要经过上图的各个步骤。

Java字节码的执行是由JVM执行引擎来完成的，流程图如下所示：

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什么是解释器（Interpreter）,什么是JIT编译器？
解释器：当Java虚拟机启动时会根据预定义的规范对字节码采用逐行解释的方式执行，将每条字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
JIT（Just In Time Compiler）编译器：就是虚拟机将源代码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。

为什么说Java是半编译半解释语言？
是因为执行引擎在去解释执行字节码文件让CPU去执行的时候，既可以使用解释器又可以使用即时编译器。
现在JVM在执行Java代码的时候，通常都会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。

机器码

• 各种用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。开始，人们就用它采编写程序，这就是机器语言。
• 机器语言虽然能够被计算机理解和接受，但是和人们的语言差别太大，不易被人们理解和记忆，并且用它编程容易出差错。
• 用它编写的程序一经输入计算机，CPU就能直接读取运行，因此和其他语言相比，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就不同。

指令

• 由于机器是由0和1组成的二进制序列，可读性是在太差，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（一般为因为简写），可读性稍好。
• 由于不同的硬件平台，执行统一个操作，对应的机器码可能不同，所以不同的硬件平台的同一种指令，对应的机器码也可能不同。

指令集

不同的硬件平台，个自支持的指令，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

  
  
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字节码

• 字节码是一种中间转态（中间码）的二进制代码（文件），它比机器码更抽象，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器。编译器将源码编译成字节码，特定平台上的虚拟机器将字节码转译为可以直接执行的指令。

  • 字节码典型的应用为Java bytecode

    
    
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解释器工作机制

• 解释器真正意义上所承当的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件中的内容“翻译”为对应平台的本地机器指令执行。
• 当一条字节码指令被解释执行完成后，接着在根据PC寄存器中记录的下一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

解释器分类

在Java的发展历史里，一共两套解释执行器，即古老的字节码解释器，现在普遍使用的模板解释器。

• 字节码解释器在执行时通过纯软件代码模拟字节码的执行，效率非常低下。
• 而模板解释器将每一条字节码和一个模板函数相关联，模板函数中直接产生这条字节码执行时的机器码，从而很大程度上提高了解释器的性能。
  找HotSpot VM中，解释器主要由Interpreter模块和Code模块构成。
  • Interpreter模块：实现了解释器的核心功能
  • Code模块：用于管理HotSpot VM在运行时生成的本地机器指令

现状

• 由于解释器在设计和实现上非常简单，因此除了Java语言之外，还有许
  多高级语言同样也是基于解释器执行的，比如Python、Perl、 Ruby等。
  但是在今天，基于解释器执行已经沦落为低效的代名词，并且时常被一些
  C/C++程序员所调侃。|
• 为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫作即时编译的技术。即时编译的
  目的是避免函数被解释执行，而是将整个函数体编译成为机器码，每次函
  数执行时，只执行编译后的机器码即可，这种方式可以使执行效率大幅度
  提升。
• 不过无论如何，基于解释器的执行模式仍然为中间语言的发展做出了不可
  磨灭的贡献。