1. 概述

“虛擬機器”是一個相對於“物理機”的概念，這兩種機器都有程式碼執行能力，其區別是物理機的執行引擎是直接建立在處理器、硬體、指令集和作業系統層面上的，而虛擬機器的執行引擎則是由自己實現的，因此可以自行制定指令集與執行引擎的結構體系，並且能夠執行那些不被硬體直接支援的指令集格式。

在不同的虛擬機器實現裡面，執行引擎在執行Java程式碼的時候可能有解釋執行和編譯執行兩種選擇，也可能兩者兼備，甚至還可能包含幾個不同級別的編譯器執行引擎。

2. 執行時棧幀結構

棧幀是用於支援虛擬機器進行方法呼叫和方法執行的資料結構，它是虛擬機器執行時資料區中的虛擬機器棧的棧元素。棧幀儲存了方法的區域性變量表、運算元棧、動態連線和方法返回地址等資訊。每一個方法從呼叫開始到執行完成的過程，就對應著一個棧幀在虛擬機器棧裡面從入棧道出棧的過程。

在編譯程式程式碼的時候，棧幀中需要多大的區域性變量表、多深的運算元棧都已經完全確定了，並且寫入到方法的code屬性之中，因此一個棧幀需要分配多少記憶體，不會受到程式執行期變數資料的影響，而僅僅取決於具體的虛擬機器實現。

（1）區域性變量表

區域性變量表是一組變數值儲存空間，用於存放方法引數和方法內部定義的區域性變數。在Java程式被編譯為Class檔案時，就在方法的Code屬性的max_locals資料項中確定了該方法所需要分配的最大區域性變量表的容量。

區域性變量表的變數以變數槽（Slot）為最小單位，虛擬機器規範中並沒有明確指明一個Slot應占用的記憶體空間大小。

虛擬機器通過索引定位的方式使用區域性變量表，索引值的範圍是從0開始到區域性變量表最大的Slot數量。在方法執行時，虛擬機器是使用區域性變量表完成引數值到引數變數列表的傳遞過程的，如果是例項方法（非static方法），那麼區域性變量表中第0位索引的Slot預設是用於傳遞方法所屬物件例項的引用，在方法中可以通過關鍵字“this”來訪問這個隱含的引數。其餘引數則按照引數表的順序來排列，佔用從1開始的區域性變數Slot，引數表分配完畢後，再根據方法體內部定義的變數順序和作用域分配其餘的Slot。

區域性變量表中的Slot是可重用的，方法體中定義的變數，其作用於並不一定會覆蓋整個方法體，如果當前位元組碼PC計數器的值已經超出了某個變數的作用域，那麼這個變數對應的Slot就可以交給其他變數使用。

對於64位的資料型別，虛擬機器會以高位在前的方式為其分配兩個連續的Slot空間。

（2）運算元棧

運算元棧也常被稱為操作棧，它是一個後入先出棧。同區域性變量表一樣，運算元棧的最大深度也是在編譯的時候被寫入到Code屬性的max_stacks資料項中。32位資料型別所佔的棧容量位1，64位資料型別所佔的棧容量位2.

當一個方法剛剛開始執行的時候，這個方法的運算元棧是空的，在方法的執行過程中，會有各種位元組碼指令向運算元棧中寫入和提取內容，也就是入棧出棧操作。舉個例子：整數加法位元組碼指令iadd

運算元棧中元素的資料型別必須與位元組碼指令的序列嚴格匹配，在編譯程式程式碼的時候，編譯器要嚴格保證這一點，在類校驗階段的資料流分析中還要再次驗證這一點。

（3）動態連線

每個棧幀都包含一個指向執行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，持有這個引用是為了支援方法呼叫過程中的動態連線。

（4）方法返回地址

當一個方法被執行後，有兩種方式退出這個方法。第一種方式是：執行引擎遇到任意一個方法返回的位元組碼指令，這時候可能會有返回值傳遞給上層的方法呼叫者（呼叫當前方法的方法稱為呼叫者），是否有返回值和返回值型別將根據遇到各種方法返回指令來決定，這種退出方法的方式稱為正常完成出口。

另一種退出方式是，在方法執行過程中遇到了異常，並且這個異常沒有在方法體內得到處理，無論是Java虛擬機器內部產生的異常，還是程式碼中使用athrow位元組碼指令產生的異常，只要在本方法的異常表中沒有搜尋到匹配的異常處理器。就會導致方法退出，這種退出方法的方式稱為異常完成出口。

無論採用何種退出方式，在方法退出後，都需要返回到方法被呼叫的位置，程式才能繼續執行，方法返回時可能需要在棧幀中儲存一些資訊，用來幫助恢復它的上層方法的執行狀態。一般來說，方法正常退出時，呼叫者的PC計數器的值就可以作為返回地址，棧幀中很可能會儲存這個計數器值。而方法異常退出時，返回地址是要通過異常處理器表來確定，棧幀中一般不會儲存這部分資訊。

方法退出的過程實際上等同於把當前棧幀出棧，因此退出時可能執行的操作有：回覆上層方法的區域性變量表和運算元棧，把返回值（如果有的話）壓入呼叫者棧幀的運算元棧中，調整PC計數器的值以指向方法呼叫指令後面的一條指令等。