一 执行引擎概述

1.1 概述

1）执行引擎是Java虚拟机核心组成部分之一。
2）虚拟机时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、指令集和操作系统之上的。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的制约指令集和执行引擎的结构体系，能够执行那么不被硬件直接支持的指令集格式。
3）JVM的主要任务之一就是负责装载字节码到其内部，但是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。
4）那么，如果想要让一个Java程序运行起来，执行引擎的任务就是将字节码指令解析/编译称为对应平台上的机器指令才可以。简单来说，JVM的执行引擎充当了将高级语言翻译称为一个机器语言的译者。

1.2 工作流程

1）执行引擎在执行过程中究竟需要执行什么样的字节码指令完全依赖于PC寄存器。
2）每当执行完一项指令操作后，PC寄存器就会更新下一条需要被执行的指令地址。
3）当然方法在执行过程中，执行引擎有可能会通过储存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Java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。
4）从外观来看，所有的Java虚拟机的执行引擎输入、输出都是一致的。输入的字节码二进制流，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。

二 Java代码编译和执行过程

2.1 常见的代码执行过程

1）大部分的程序代码都是需要转换成物理机的目标代码或者虚拟机能够执行的指令集之前， 都需要经过下图的各个步骤
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2.2 Java源码编译器

1）Java代码编译是由Java源码编译器来完成的，大概流程如下：
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2.3 Java字节码执行

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2.4 两个问题

2.4.1 为什么说Java是半编译半解释语言

1）JDK1.0时代，将Java定位为“解释执行”还是比较准确的。再后来，Java发展出了可以直接生成本地代码的编译器。
2）现在JVM在执行Java代码的时候，通常会将解释执行与编译执行二者结合起来进行。

2.4.2 什么是解释器

1）解释器：当Java虚拟机启动的时候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。
2）JIT编译器：就是虚拟机将源码直接编译成和本地机器平台相关的机器语言。

三 机器码、指令、汇编语言

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3.1 机器码

1）各种用二进制编码方式表示的指令，叫做机器指令码。最初开始的时候，人们就使用它来编写程序，这就是机器语言。
2）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，不容易被人类理解和记忆，并且编程容易出差错。
3）机器语言编写的程序一经输入计算机，CPU直接读取运行，因此和其他语言编写的程序相比，执行速度最快。
4）机器指令和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。

3.2 指令

1）由于机器码是由 0 和 1 组成的二进制序列，可读性太差，于是人们发明了指令。
2）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：mov，inc等），可读性稍好
3）由于不同的硬件平台，执行同一个操作，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（如：mov），对应的机器码也可能不同。

3.3 指令集

1）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。
2）如常见的：

  1. x86指令集，对应的就是x86架构的平台
  2. arm指令集，对应的就是ARM架构的平台

    3.4 汇编语言

    1）由于指令的可读性还是太差，于是人们又发明了汇编语言。
    2）在汇编语言中，用助记符（Mnemonic）代替机器指令的操作码，用地址符号（Symbol）或者标号（Label）代替指令合作和操作数的地址。
    3）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。
    4）由于计算机只认识指令码，所以使用汇编语言编写的程序还是必须翻译成机器指令码，计算机才能识别和执行。

    3.5 高级语言

    1）为了使计算机用户编写程序更加容易，后来出现了各种高级计算机语言。高级语言比机器语言、汇编语言更接近人的语言。
    2）当计算机执行高级语言编写的程序时，仍然需要把程序解析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者编译程序。

    3.6 字节码

    1）字节码是一种中间状态的二进制代码（文件），它比机器码更加抽象，需要直译器转译之后才能成为机器码。
    2）字节码主要为了实现特定软件的运行。和软件环境、硬件环境无关。
    3）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。

    四 解释器

    4.1 解释器概述

    1）JVM设计者的初衷仅仅是单纯地为了满足Java程序实现跨平台特性，因此避免采用静态编译地方式直接生成本地机器指令。
    2）从而诞生了实现解释器在运行时采用逐行解释字节码程序的想法。
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    4.2 解释器工作机制

    1）解释器真正意义上所承担的角色就是一个运行时“翻译者”，将字节码文件的内容翻译为对应平台的本地机器指令来执行。
    2）当一条字节码指令被解释执行完成之后，接着再根据PC寄存器中记录的吓一条需要被执行的字节码指令执行解释操作。

    4.3 解释器分类

    1）在Java的发展历史中，一共有过两套解释执行器。即是古老的字节码解释器，现在普遍使用的模板解释器。
    2）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。
    3）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。
    4）在HotspotVM中，解释器主要由Interpreter模块和Code模块构成。Interpreter模块主要是实现了解释器的核心功能。Code模块用于管理HotSpotVM中在运行时生成的本地机器指令。

    4.4 现状

    1）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，还有很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为一种低效的代名词，并且常被C/C++程序员调侃。
    2）为了解决这个问题，JVM平台支持一种叫做即时编译的技术。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机器码，每次函数执行的时候，只执行编译后的机器码即可。这种方式可以让执行效率大幅度提升。
    3）不管怎样，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。

    五 JIT编译器

    5.1 Java代码执行分类

    1）第一种解释器执行，将源代码编译成字节码文件，然后在运行时通过解释器将字节码文件转为机器码执行。
    2）第二种编译执行（直接编译成机器码）。现代虚拟机为了提高执行效率，会使用即时编译技术（JIT：Just In Time）将方法编译成机器码后再执行。
    3）HotSpotVM是目前市面上高性能虚拟机的代表作之一。它采用了解释器与即时编译器并存的架构。在Java虚拟机运行时，解释器和即时编译器能够相互协作，各自取长补短，尽力去选择最合适的方式来权衡编译本地代码的时间和直接解释执行代码的时间。
    4）在今天，Java程序的运行性能早已经脱胎换骨了，已经达到了可以和C/C++程序一较高下的地步。