虚拟机的字节码执行引擎

在Java虚拟机规范中制定了虚拟机字节码执行引擎的概念模型，这个概念模型成为各种虚拟机执行引擎的统一外观（Facade）。不同的虚拟机中，执行引擎可能有解释执行（通过解释器）和编译执行（通过即时编译器产生本地机器码）两种选择，也可能是二者兼备，甚至还可能包含几个不同级别的编译器执行引擎。

但是从外观上来看，所有的Java虚拟机的执行引擎都是一致的：输入的是字节码文件，处理过程是字节码解析的等效过程，输出的是执行结果。

执行时栈帧结构

栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈中的栈元素。其中存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。

在编译程序的时候，栈帧中需要多大的局部变量表，多深的操作数栈都已经完全确定了，并且写入到方法表的Code属性中，因此一个栈帧需要分配多少内存，不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于具体的虚拟机实现。

一个线程中的方法调用链可能会很长，很多方法同时处于执行状态。对执行引擎来说，只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧相关联的方法称为当前方法。典型的栈帧结构如下：

局部变量表

局部变量表（Local Variable Table）是一组变量值存储空间，用于存放参数和方法内部定义的局部变量（类变量在类加载的准备阶段放入方法区，实例变量随对象分配入Java堆，常量被放入Class文件的常量池中）。

局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，为了节省栈帧空间，局部变量表中的Slot是可以重用的，方法体中定义的变量，其作用域并不一定覆盖整个方法体（如for循环的i），如果当前字节码PC计数值已经超过了某个变量的作用域，那此变量的Slot就可以交给其他变量用。

操作数栈

操作数栈（Operand Stack）也常称为操作栈，是一个后入先出（Last In First Out，LIFO）栈。与局部变量表一样，其最大深度也是在编译时写入Code属性中。

当一个方法刚刚开始执行时，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈/入栈操作。

Java虚拟机的解释执行引起称为“基于栈的执行引擎”，其中所指的栈就是操作数栈。

动态连接

每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接（Dynamic Linking）。Class文件的常量池中存有大量的符号引用，这些引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转化为直接引用，这种转化成为静态解析。另一部分在每一次运行期间转化为直接引用，称为动态连接。

方法返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法。第一种是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令，这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法），称为正常完成出口。
另一种是在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理，无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用athrow字节码指令产生的异常，只要在本方法中的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion），此时不会给它的上层调用者返回任何值的。

无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法正常退出时，调用者的PC计数器的值可以作为返回地址，栈帧中可能会保证这个计数值。而方法异常退出时，返回地址是通过异常处理表来确定的，栈帧中不会保存这部分信息。

方法退出的过程就相当于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值（如果有）压入调用者栈帧的操作数栈中，调整PC计数器的值以指向方法调用后面的一条指令等。

附加信息

虚拟机规范允许具体实现的虚拟机实现增加一些规范里没有描述的信息到栈帧中。