JVM實(shí)戰(zhàn)與原理

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目錄

字節(jié)碼執(zhí)行引擎

1. 方法區(qū)

2. 棧幀

2.1 局部變量表

2.2 操作數(shù)棧

2.3 動(dòng)態(tài)連接

2.4 方法返回地址

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字節(jié)碼執(zhí)行引擎

章節(jié)目的：虛擬機(jī)是如何找到正確的方法，如何執(zhí)行方法內(nèi)的字節(jié)碼，以及執(zhí)行代碼時(shí)涉及的內(nèi)存結(jié)構(gòu)

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引言：前面我們已經(jīng)知道虛擬機(jī)加載類(lèi)的過(guò)程，并且開(kāi)辟出怎么樣的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，那么接下來(lái)虛擬機(jī)是怎么執(zhí)行類(lèi)代碼的呢？

我們以Person類(lèi)為例，講解其從main開(kāi)發(fā)到結(jié)束，字節(jié)碼執(zhí)行引擎是如何進(jìn)行的。

class Person {public static void main(String[] args) {System.out.println(methodA(true, 0));}public static String methodA(boolean isShow, int count) {String str = new String("");if(isShow) {str = new String("show");count = count + 1;}return str;} }

其對(duì)應(yīng)的Class文件內(nèi)容反編譯結(jié)果如下

class Personminor version: 0major version: 52flags: ACC_SUPER Constant pool:#1 = Methodref #10.#23 // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Fieldref #24.#25 // java/lang/System.out:Ljava/io/Print Stream;#3 = Methodref #9.#26 // Person.methodA:(ZI)Ljava/lang/Strin g;#4 = Methodref #27.#28 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/ lang/String;)V#5 = Class #29 // java/lang/String#6 = String #30 //#7 = Methodref #5.#31 // java/lang/String."<init>":(Ljava/la ng/String;)V#8 = String #32 // show#9 = Class #33 // Person#10 = Class #34 // java/lang/Object#11 = Utf8 <init>#12 = Utf8 ()V#13 = Utf8 Code#14 = Utf8 LineNumberTable#15 = Utf8 main#16 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V#17 = Utf8 methodA#18 = Utf8 (ZI)Ljava/lang/String;#19 = Utf8 StackMapTable#20 = Class #29 // java/lang/String#21 = Utf8 SourceFile#22 = Utf8 Person.java#23 = NameAndType #11:#12 // "<init>":()V#24 = Class #35 // java/lang/System#25 = NameAndType #36:#37 // out:Ljava/io/PrintStream;#26 = NameAndType #17:#18 // methodA:(ZI)Ljava/lang/String;#27 = Class #38 // java/io/PrintStream#28 = NameAndType #39:#40 // println:(Ljava/lang/String;)V#29 = Utf8 java/lang/String#30 = Utf8#31 = NameAndType #11:#40 // "<init>":(Ljava/lang/String;)V#32 = Utf8 show#33 = Utf8 Person#34 = Utf8 java/lang/Object#35 = Utf8 java/lang/System#36 = Utf8 out#37 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;#38 = Utf8 java/io/PrintStream#39 = Utf8 println#40 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V {Person();descriptor: ()Vflags:Code:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init> ":()V4: returnLineNumberTable:line 1: 0public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=3, locals=1, args_size=10: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljav a/io/PrintStream;3: iconst_14: iconst_05: invokestatic #3 // Method methodA:(ZI)Ljava/lang/S tring;8: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.prin tln:(Ljava/lang/String;)V11: returnLineNumberTable:line 4: 0line 5: 11public static java.lang.String methodA(boolean, int);descriptor: (ZI)Ljava/lang/String;flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=3, locals=3, args_size=20: new #5 // class java/lang/String3: dup4: ldc #6 // String6: invokespecial #7 // Method java/lang/String."<init> ":(Ljava/lang/String;)V9: astore_210: iload_011: ifeq 2814: new #5 // class java/lang/String17: dup18: ldc #8 // String show20: invokespecial #7 // Method java/lang/String."<init> ":(Ljava/lang/String;)V23: astore_224: iload_125: iconst_126: iadd27: istore_128: aload_229: areturnLineNumberTable:line 8: 0line 9: 10line 10: 14line 11: 24line 13: 28StackMapTable: number_of_entries = 1frame_type = 252 /* append */offset_delta = 28locals = [ class java/lang/String ] } SourceFile: "Person.java"

1. 方法區(qū)

在類(lèi)加載后，會(huì)將Class文件中的類(lèi)信息、常量、靜態(tài)變量以及每個(gè)方法的信息和對(duì)應(yīng)的字節(jié)碼指令放入方法區(qū)內(nèi)存中，并將其中的static修飾的變量通過(guò)<clinit>方法進(jìn)行初始化。

2. 棧幀

作用：支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)了方法的局部變量表、操作數(shù)棧、動(dòng)態(tài)連接和方法返回地址

一個(gè)方法對(duì)應(yīng)著一個(gè)棧幀，同時(shí)當(dāng)前方法位于棧頂，例如進(jìn)入main方法，此時(shí)main方法在棧頂，此時(shí)main方法中調(diào)用了methodA方法，則methodA入棧，位于棧頂。

下面我們?cè)敿?xì)介紹棧幀的組成部分

2.1 局部變量表

作用：存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的局部變量。

局部變量表以容量槽Slot為最小單位，其中boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress為一個(gè)Slot，long和double為兩個(gè)Slot。一般來(lái)說(shuō)一個(gè)Slot占用32位長(zhǎng)度的內(nèi)存空間，其中reference類(lèi)型表示對(duì)一個(gè)對(duì)象實(shí)例的引用，通過(guò)引用，能查找到對(duì)象在堆中數(shù)據(jù)存放的起始地址索引。returnAddress已經(jīng)很少見(jiàn)了，已被異常表代替。

實(shí)例：Person類(lèi)的methodA方法中，isShow、count和str便是存放在局部變量表中，其中isShow為boolean類(lèi)型，count為int類(lèi)型，str則是reference類(lèi)型。

如果執(zhí)行的是實(shí)例(非static)方法，那局部變量表的第0位索引的Slot默認(rèn)是方法所屬對(duì)象實(shí)例的引用，在方法中用關(guān)鍵字this來(lái)訪問(wèn)到這個(gè)隱含的參數(shù)

2.2 操作數(shù)棧

作用：用于存放方法執(zhí)行過(guò)程中，字節(jié)碼指令進(jìn)行入棧和出棧操作時(shí)，寫(xiě)入和提取的內(nèi)容。

boolean、byte、char、short、int、float所占的棧容量為1，long和double所占的棧容量為2。

實(shí)例：Person類(lèi)的methodA方法中，count = count + 1;便是在操作數(shù)棧中進(jìn)行，先將count入棧，接著1入棧，然后執(zhí)行棧頂頭兩個(gè)元素相加的指令，然后出棧。

2.3 動(dòng)態(tài)連接

符號(hào)引用一部分會(huì)在類(lèi)加載階段或者第一次使用的時(shí)候就轉(zhuǎn)化為直接引用，這種轉(zhuǎn)化稱(chēng)為靜態(tài)解析。

另外一部分將在每一次運(yùn)行期間轉(zhuǎn)化為直接引用，這部分成為動(dòng)態(tài)連接。

2.4 方法返回地址

作用：方法退出之后，需要返回到方法被調(diào)用的位置，程序才能繼續(xù)執(zhí)行。

方法有兩種退出方式

1. 正常完成出口：執(zhí)行引擎遇到任意一個(gè)方法返回的字節(jié)碼指令，這時(shí)候可能會(huì)有返回值傳遞給上層的調(diào)用者，此種退出方式，棧幀中會(huì)保存調(diào)用者PC計(jì)數(shù)器的值。

2. 異常完成出口：當(dāng)方法執(zhí)行過(guò)程遇到異常，且異常沒(méi)有在方法體內(nèi)得到處理，只要在方法的異常表中沒(méi)有搜索到匹配的異常處理器，就會(huì)導(dǎo)致方法退出，此種退出方式，返回地址是要通過(guò)異常處理器表來(lái)確定，棧幀中不保存這部分信息。

Person類(lèi)的方法執(zhí)行過(guò)程：

虛擬機(jī)會(huì)自動(dòng)尋找到main方法進(jìn)行執(zhí)行。執(zhí)行方法，則會(huì)將main方法生成棧幀壓入虛擬機(jī)棧中。然后main方法的字節(jié)碼如下

? ? ? ? ?0: getstatic ? ? #2 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
? ? ? ? ?3: iconst_1
? ? ? ? ?4: iconst_0
? ? ? ? ?5: invokestatic ?#3 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method methodA:(ZI)Ljava/lang/String;
? ? ? ? ?8: invokevirtual #4 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
? ? ? ? 11: return

main方法中調(diào)用了methodA方法，則會(huì)將methodA壓入棧，此時(shí)methodA的局部變量表會(huì)存有isShow、count及str變量。

methodA的字節(jié)碼如下

?0: new ? ? ? ? ? #5 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// class java/lang/String
?3: dup
?4: ldc ? ? ? ? ? #6 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// String
?6: invokespecial #7 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method java/lang/String."<init>?
?9: astore_2
10: iload_0
11: ifeq ? ? ? ? ?28
14: new ? ? ? ? ? #5 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// class java/lang/String
17: dup
18: ldc ? ? ? ? ? #8 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// String show
20: invokespecial #7 ? ? ? ? ? ? ? ? ?// Method java/lang/String."<init>?
23: astore_2
24: iload_1
25: iconst_1
26: iadd
27: istore_1
28: aload_2
29: areturn
String類(lèi)信息在加載階段會(huì)被加載至方法區(qū)中，new指令會(huì)在堆中開(kāi)辟空間存放對(duì)象實(shí)例，引用str壓入操作數(shù)棧棧頂。

dup指令會(huì)將棧頂?shù)膕tr復(fù)制并壓入棧頂

ldc將空字符串從方法區(qū)的常量池中推送至棧頂

invokespecial指令則會(huì)調(diào)用String類(lèi)的初始化方法

astore_2指令將棧頂引用型數(shù)值存入第三個(gè)本地變量中

這樣，經(jīng)過(guò)以上四個(gè)指令，str則被初始化成功，其類(lèi)信息在方法區(qū)中，引用在棧的局部變量表中，實(shí)例信息則在堆中。

最后的areturn，則是方法的退出指令，此時(shí)方法返回地址記錄著main方法調(diào)用methodA方法的地址，在methodA方法結(jié)束返回后，便會(huì)根據(jù)這個(gè)返回地址返回到main方法中。

main方法中調(diào)用println打印后，調(diào)用return指令同樣也會(huì)進(jìn)行方法退出，至此，整個(gè)main方法便執(zhí)行結(jié)束了。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JVM实战与原理---字节码执行引擎的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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