执行引擎是 Java 虚拟机最核心的组成部分之一。 「虚拟机」是相对于「物理机」的概念，这两种机器都有代码执行的能力，区别是物理机的执行引擎是直接建立在处理器、硬件、指令集和操作系统层面上的，而虚拟机执行引擎是由自己实现的，因此可以自行制定指令集与执行引擎的结构体系，并且能够执行那些不被硬件直接支持的指令集格式。

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）。在不同的虚拟机实现里，执行引擎在执行 Java 代码的时候可能会有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种方式，也可能两者都有，甚至还可能会包含几个不同级别的编译器执行引擎。但从外观上来看，所有 Java 虚拟机的执行引擎是一致的：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。

运行时栈帧结构

栈帧（Stack Frame）是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量、操作数栈、动态链接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始到执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里从入栈到出栈的过程。

每一个栈帧都包括了局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址和一些额外的附加信息。在编译程序代码时，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 属性之中，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，很多方法都处于执行状态。对于执行引擎来说，在活动线程中，只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧（Current Stack Frame），与这个栈帧相关联的方法成为当前方法。执行引擎运行的所有字节码指令对当前栈帧进行操作，在概念模型上，典型的栈帧结构如下图：

解释执行

Java 语言常被人们定义成「解释执行」的语言，但随着 JIT 以及可直接将 Java 代码编译成本地代码的编译器的出现，这种说法就不对了。只有确定了谈论对象是某种具体的 Java 实现版本和执行引擎运行模式时，谈解释执行还是编译执行才会比较确切。

无论是解释执行还是编译执行，无论是物理机还是虚拟机，对于应用程序，机器都不可能像人一样阅读、理解，然后获得执行能力。大部分的程序代码到物理机的目标代码或者虚拟机执行的指令之前，都需要经过下图中的各个步骤。下图中最下面的那条分支，就是传统编译原理中程序代码到目标机器代码的生成过程；中间那条分支，则是解释执行的过程。

如今，基于物理机、Java 虚拟机或者非 Java 的其它高级语言虚拟机的语言，大多都会遵循这种基于现代编译原理的思路，在执行前先对程序源代码进行词法分析和语法分析处理，把源代码转化为抽象语法树。对于一门具体语言的实现来说，词法分析、语法分析以至后面的优化器和目标代码生成器都可以选择独立于执行引擎，形成一个完整意义的编译器去实现，这类代表是 C/C++。也可以为一个半独立的编译器，这类代表是 Java。又或者把这些步骤和执行全部封装在一个封闭的黑匣子中，如大多数的 JavaScript 执行器。

Java 语言中，Javac 编译器完成了程序代码经过词法分析、语法分析到抽象语法树、再遍历语法树生成字节码指令流的过程。因为这一部分动作是在 Java 虚拟机之外进行的，而解释器在虚拟机的内部，所以 Java 程序的编译就是半独立的实现。

许多 Java 虚拟机的执行引擎在执行 Java 代码的时候都有解释执行（通过解释器执行）和编译执行（通过即时编译器产生本地代码执行）两种选择。而对于最新的 Android 版本的执行模式则是 AOT + JIT + 解释执行。

基于栈的指令集与基于寄存器的指令集

Java 编译器输出的指令流，基本上是一种基于栈的指令集架构。基于栈的指令集主要的优点就是可移植，寄存器由硬件直接提供，程序直接依赖这些硬件寄存器则不可避免的要受到硬件约束。栈架构的指令集还有一些其他优点，比如相对更加紧凑（字节码中每个字节就对应一条指令，而多地址指令集中还需要存放参数）、编译实现更加简单（不需要考虑空间分配的问题，所有空间都是在栈上操作）等。

栈架构指令集的主要缺点是执行速度相对来说会稍慢一些。所有主流物理机的指令集都是寄存器架构也从侧面印证了这一点。

虽然栈架构指令集的代码非常紧凑，但是完成相同功能需要的指令集数量一般会比寄存器架构多，因为出栈、入栈操作本身就产生了相当多的指令数量。更重要的是，栈实现在内存中，频繁的栈访问也意味着频繁的内存访问，相对于处理器来说，内存始终是执行速度的瓶颈。由于指令数量和内存访问的原因，所以导致了栈架构指令集的执行速度会相对较慢。

正是基于上述原因，Android 虚拟机中采用了基于寄存器的指令集架构。不过有一点不同的是，前面说的是物理机上的寄存器，而 Android 上指的是虚拟机上的寄存器。