1.8　JVM的架构模型

Java编译器输入的指令流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如下。

1．基于栈式架构的特点

（1）设计和实现更简单，适用于资源受限的系统。比如机顶盒、打印机等嵌入式设备。

（2）避开了寄存器的分配难题，使用零地址指令方式分配，只针对栈顶元素操作。

（3）指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖操作栈。指令集更小，编译器更容易实现。

（4）不需要硬件支持，可移植性更好，可以更好地实现跨平台。

2．基于寄存器架构的特点

（1）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。

（2）指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差。

（3）指令直接由CPU来执行，性能优秀和执行更高效。

（4）花费更少的指令去完成一项操作。

（5）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。

案例1：执行2+3这种逻辑操作，其代码示例如下：

基于栈的计算流程（以JVM为例）：

整个执行流程如下：

（1）常量2压入操作数栈（见4.4节）。

（2）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表（见4.3节）第1个位置（把常量2保存到局部变量表）。

（3）常量3压入操作数栈。

（4）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第2个位置（把常量3保存到局部变量表）。

（5）变量表中第1个变量压入操作数栈。

（6）变量表中第2个变量压入操作数栈。

（7）操作数栈中的前两个int相加，并将结果压入操作数栈栈顶。

（8）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第0个位置（把结果5保存到局部变量表）。

基于寄存器的计算流程如下：

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

接下来详细讲解一下基于栈的计算流程，案例2是在案例1的类中新增calc()方法。案例2代码如下：

反编译后的结果如下：

字节码文件的反编译命令是javap（见17.4节），例如使用下面的命令反编译StackStruTest.class文件：javap -v StackStruTest.class。具体流程如图1-10～图1-16所示。

指令执行流程如下：

（1）常量100压入操作数栈（见4.4节）。

（2）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表（见4.3节）第1个位置（把常量100保存到局部变量表）。

（3）常量200压入操作数栈。

（4）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第2个位置（把常量200保存到局部变量表）。

图1-10　案例2字节码指令执行流程图（1）

图1-11　案例2字节码指令执行流程图（2）

图1-12　案例2字节码指令执行流程图（3）

图1-13　案例2字节码指令执行流程图（4）

图1-14　案例2字节码指令执行流程图（5）

图1-15　案例2字节码指令执行流程图（6）

图1-16　案例2字节码指令执行流程图（7）

（5）常量300压入操作数栈。

（6）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第3个位置（把常量300保存到局部变量表）。

（7）变量表中第1个变量压入操作数栈。

（8）变量表中第2个变量压入操作数栈。

（9）操作数栈中的前两个int相加，并将结果压入操作数栈栈顶。

（10）变量表中第3个变量压入操作数栈。

（11）操作数栈中的前两个int相乘，并将结果压入操作数栈栈顶。

（12）弹出操作数栈栈顶元素，保存到局部变量表第0个位置（把结果90000保存到局部变量表）。

我们来总结一下，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。基于栈式架构的优点是跨平台、指令集小、编译器容易实现，缺点是性能较差，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（准确来说，应该是HotSpotVM的宿主环境已经不局限于嵌入式平台），那么为什么不将架构更换为基于寄存器的架构呢？

首先基于栈的架构从设计和实现上更简单一些，如入栈出栈等方面；其次在非资源受限的平台当中也是可用的，即体现了它的跨平台性。