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三言两语:JVM 字节码执行实例分析

最近在看《Java 虚拟机规范》和《深入理解JVM虚拟机》,对于字节码的执行有了进一步的了解。字节码就像是汇编语言,是 JVM 的指令集。下面我们先对 JVM 执行引擎做一下简单介绍,然后根据实例分析 JVM 字节码的执行过程。

运行时栈帧结构

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,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表,操作数栈,动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法从调用开始至执行完成的过程,都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

在编译程序员代码的时候,栈帧中局部变量表和操作数栈的大小已经确定了,并且写入到方法表中的 Code 属性中。

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,与这个栈帧关联的方法称为当前方法。执行引擎运行的所有字节码指令只对当前栈帧进行操作。

局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间,用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。局部变量表的容量以变量槽(slot)为最小单位,每个 slot 保证能放下 32 位内的数据类型。虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表,索引值从 0 开始。值得注意的是,对于实例方法,局部变量表中第 0 位索引的 slot 默认是 this 引用;静态方法则不是。而且为了节约内存,slot 是可以重用的。

操作数栈

操作数栈的元素可以是任意的 Java 数据类型。当一个方法开始时,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。

实例分析

下面分析的字节码指令主要是对局部变量表和操作栈的读写。

for 循环字节码分析

void spin() {     int i;     for (i = 0; i < 100; i++) {         ; // Loop body is empty     } } 

上面是一个空循环的代码,编译后的字节码如下:

Method void spin()     0 iconst_0 // Push int constant 0     1 istore_1 // Store into local variable 1 (i=0)     2 goto 8 // First time through don’t increment     5 iinc 1 1 // Increment local variable 1 by 1 (i++)     8 iload_1 // Push local variable 1 (i)     9 bipush 100 // Push int constant 100     11 if_icmplt 5 // Compare and loop if less than (i < 100)     14 return // Return void when done 

相信大家看到上面的代码都是一脸懵逼,即使有注释还是不知道字节码到底做了什么操作。下面我就图解每一条指令,帮助理解。上面的代码都是对局部变量表和操作数栈的操作,所以我们的关注点就在这两个区域上。(栈是自顶向下的)

0 iconst_0 //把常量0放入栈 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |        |   0    | +-----------------+ |        |        | +--------+--------+  1 istore_1 //把栈顶的元素出栈,存到局部变量表索引为1的位置 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |   0    |        | +-----------------+ |        |        | +--------+--------+  2 goto 8 //跳转到第8条指令  8 iload_1 //把局部变量表中索引为1的变量入栈 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |   0    |   0    | +-----------------+ |        |        | +--------+--------+  9 bipush 100 //把100入栈 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |   0    |   0    | +-----------------+ |        |  100   | +--------+--------+  11 if_icmplt 5 //出栈两个元素v1,v2,比较它们的值,当且仅当v1 < v2,跳转到指令5 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |   0    |        | +-----------------+ |        |        | +--------+--------+  5 iinc 1 1 //自增局部变量表中索引为1的值 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |   1    |        | +-----------------+ |        |        | +--------+--------+  //进行下次循环直到指令11不满足,到达指令14 14 return //清空栈,执行引擎把控制权交换给调用者。 +--------+--------+ | local  | stack  | +-----------------+ |   100  |        | +-----------------+ |        |        | +--------+--------+ 

以上就是 for 循环字节码执行的过程。可以发现,所有指令都是围绕者局部变量表和操作数栈在操作。

解惑

指令 iconst_0 , iload_1 的命名解读

第一个 i 代表这是对int数据类型进行的操作

const , load 是操作码

0 , 1 是隐含的操作数

上面的两个指令等价于 iconst 0 , iload 1

详细的字节码解释查阅《JVM 虚拟机规范》

try-catch-finally 字节码分析

static int inc(){     int x;     try {         x = 1;         return x;     } catch (Exception e){         x = 2;         return x;     } finally {         x = 3;     } } 

下面是它的字节码,这次我就不画图了,里面的命令跟上面的类似。

static int inc(); descriptor: ()I flags: ACC_STATIC Code:   stack=1, locals=4, args_size=0      0: iconst_1  //try 块中的 x = 1;      1: istore_0  //保存栈顶元素到局部变量表中索引为 0 的 slot 中      2: iload_0   //加载局部变量表中索引为 0 的值到栈中      3: istore_1  //保存栈顶元素到局部变量表中索引为 1 的 slot 中      4: iconst_3  //finally 块中的 x = 3;      5: istore_0  //保存栈顶元素到局部变量表中索引为 0 的 slot 中,x 的值存在这里。      6: iload_1  //加载局部变量表中索引为 1 的值到栈中      7: ireturn  //返回栈顶元素,即 x = 1;正常情况下函数运行到这里就结束了,如果出现异常根据异常表跳转到指定的位置      8: astore_1 //给 catch 块中定义的 Exception e 赋值,存储在 slot1 中。      9: iconst_2 //catch 块中的 x = 2;     10: istore_0     11: iload_0     12: istore_2     13: iconst_3 //finally 块中的 x = 3;     14: istore_0     15: iload_2     16: ireturn //此时返回的是 slot2 中的值,即 x = 2     17: astore_3 //如果出现不属于 java.lang.Exception 及其子类的异常,才会根据异常表中的规则跳转到这里。     18: iconst_3 //finally 块中的 x = 3;     19: istore_0     20: aload_3 //将异常加载到栈顶,     21: athrow //抛出栈顶的异常   Exception table:      from    to  target type          0     4     8   Class java/lang/Exception          0     4    17   any          8    13    17   any 
  1. 字节码中 0 ~ 4 行将整数 1 赋值为变量 x,x 存储在 slot0 中,并且将 x 的值拷贝一份放到 slot1。如果没有出现异常,继续走到 5 ~ 7 行,将 x 赋值为 3,然后读取 slot1 中的值到栈顶,最后 ireturn 返回栈顶的值,方法结束。
  2. 如果出现异常,PC 寄存器指针转到第 8 行,第 8 ~ 16 行所做的事情就是将 2 赋值给 x,然后保存 x 的拷贝,最后将 x 赋值为 3。方法返回前将 x 的拷贝 2 读取到栈顶。
  3. 如果在 0 ~ 4,8 ~ 13 行中出现其他异常,则跳转到第 17 行执行,先同样执行 finally 块中的 x = 3 ,最后抛出异常,方法结束。

可以看到,Java 字节码是通过异常表的方式来决定代码执行的路径。而 finally 的实现是通过在每个路径的最后加入 finally 块中的字节码实现的。

参考资料

《Java 虚拟机规范》

《深入理解JVM虚拟机》

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