1、引言

2022-06-06 09:29:05 浏览数 (1)

本文重点介绍JVM运行时数据区的整体概况，其中堆和方法区等比较复杂的会在GC的部分学习。另外本文还学习了JVM的指令集，涉及到的常用的一些指令，通过查看JVM规范手册，还确定每一个是如何使用，并与运行时数据区进行对应。 笔记系列。 关键字：运行时数据区，自增的字节码指令执行，局部变量表，栈帧，this，iadd，invoke指令

1、引言

一个java类的完整生命周期如下：

class文件 -> （loading,linking,initailizing）-> JVM -> run engine -> 运行时数据区 -> GC

2、运行时数据区

  1. PC，program counter，程序计数器。存放下一条指令位置，空间很小。虚拟机运行就是一个循环，不断去取PC中的位置，找到对应位置的指令然后执行，PC ，直到结束。
    1. 每个JVM线程都有它自己的PC寄存器。
    2. 任何时候，每条JVM线程都在执行一个独立方法的代码，被称作那条线程的当前方法。
    3. 如果方法不是native的，pc寄存器包含的JVM指令的地址将被执行。
  2. Heap，堆内存。GC垃圾收集的时候会重点学习。
    1. JVM拥有一个Heap堆，它是被所有的JVM线程所共享的。
    2. 堆是在JVM运行时，所有对象实例和被分配的数组所占内存的空间。
  3. stack
    1. JVM stacks
      1. 每个JVM线程都有一个私有的JVM栈，在线程被创建的时候，栈也随即被创建。
      2. 一个JVM栈里面保存着很多的栈帧。
      3. stack frames，每个栈帧对应每一个方法。
    2. Native method stacks，本地方法栈，通过JNI去调用，保存的是C/C 依据JVM规范编写的方法。
  4. Direct memory，直接内存，NIO。原来的IO方式是数据先进入操作系统内存，然后JVM在执行时要从操作系统内存将数据拷贝过来一份再进行处理。NIO的直接内存方式就是省去了拷贝的过程，提高效率。Zero Copy,零拷贝，JVM可以直接去访问操作系统内核储存空间，不需要再拷贝到JVM空间处理。
  5. Method area，包含Run-time constant pool。
    1. JVM拥有一个方法区，是被所有线程所共享的。
    2. 方法区保存着每一个类的结构。
    3. 方法区是一个规范，包括两个不同版本的方法区的实现：
      1. Perm Space，JVM<1.8，FGC不会清理。大小在启动的时候指定，不能改变。一旦动态类特多的时候，会溢出。字符串常量位于PermSpace，在<1.8的情况下。而>1.8的时候，String常量位于堆。
      2. Meta Space，JVM>=1.8，会触发FGC清理。如果不设定默认最大就是物理内存占满，当满了就会FGC清理。
    4. 运行时常量池是每个类或接口在运行时读取的Class文件中的constant_pool的内容。

总结一下， 线程A: PC、JVMStacks、NMStacks 线程B: PC、JVMStacks、NMStacks 线程C: PC、JVMStacks、NMStacks 共享的内容：Heap，Method Area(Perm/Meta Space)

3、栈帧

栈帧对应一个线程的一个方法的内容，用于方法的执行，包括方法执行过程中的变量的临时状态。同时栈帧也执行动态链接，方法的返回值以及分发异常。栈帧被包含在JVM栈中。每一个栈帧包括：

1、局部变量表，Local Variable Table。

2、操作数栈，Operand Stack。

3、动态链接，Dynamic Linking。指向运行时常量池中的符号连接，如果解析就直接使用，未解析则执行解析再使用。例如A方法调用B方法，B要去常量池去找，找的这个过程就是动态链接。

4、返回地址，return address。a()->b()，方法a调用了方法b，b方法执行完了以后，返回值存放的位置，以及b方法执行完毕，应该接着执行a的哪里，也存放在这个返回地址。

3.1 自增代码的字节码检查

这里面的局部变量表，如上图的选中部分，Class文件中的方法的code中的LocalVariableTable会被JVM读取进入每一个线程中的栈的一个栈帧中的局部变量表，可以理解为这是一对一的。

注意，上图中局部变量表是初始状态，最右侧选中的部分，显示的是int a，其中a是名字，int是描述符I来代替。

当前这个LocalVariableTable读取到JVM是初始状态，接下来在JVM中要执行code的JVM指令，通过这些指令的执行，会改变这个LocalVariableTable。下面先来看对应main方法源码code的JVM指令。

0 sipush 311 3 istore_1 4 iload_1 5 iinc 1 by 1 8 istore_1 9 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 12 iload_1 13 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 16 return

  • sipush 311,Push short。添加整数常量(311)到当前线程栈的main方法栈帧的操作数栈的栈顶[进栈]。
  • istore_1,Store int into local variable。把操作数栈顶的数(311)出栈，设定为局部变量表中下标为1的变量(a)的值(311)。

以上两句就完成了int a = 1;语句。

  • iload_1,Load int from local variable。将局部变量表中下标为1的变量的int值压入操作数栈栈顶。
  • iinc 1 by 1，Increment local variable by constant。将局部变量表中下标为1的变量(a)的值(311)加1。第一个1是index，指的是局部变量表的下标；第二个1是常量，指的是加几。所以执行完这条指令以后，局部变量表中下标为1的变量a的值编变成了312。

以上就完成了i 的代码，局部变量表的状态发生了变化。

  • istore_1，把操作数栈栈顶的值出栈，再存入局部变量表下标为1的变量a的值(311)，替换掉了当前的312。

以上完成的是i = i ;的代码，把i在操作数栈中值就赋回给局部变量表了。所以结果打印出来i仍旧等于311。后面的几行指令都是执行system.out.println()的指令的，不再深入介绍。

反过来，改为i= i;进行查看code字节码。

0 sipush 311 3 istore_1 4 iinc 1 by 1 7 iload_1 8 istore_1 9 getstatic #2 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 12 iload_1 13 invokevirtual #3 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 16 return

这里面与a 的区别是 iinc 1 by 1和 iload_1指令的位置调换了，其他的都一样。

  • 先执行iinc 1 by 1，修改局部变量表下标1的变量的值加1，即a = 312。
  • 再执行iload_1，将局部变量表下标1的变量的值取出来，即312，压入操作数栈栈顶。

后面的逻辑是一样的，取出操作数栈栈顶的值保存到局部变量表下标1的值的位置中。

HotSpot的LocalVariableTable类似于CPU的寄存器，CPU寄存器的指令集是汇编语言。JVM的指令集是基于JVM规范，例如上面的字节码中code的存在于栈帧中的指令集，但硬件层面都会最终去执行CPU的寄存器，即执行汇编语言。

3.2 this

上面介绍了main方法的内容，那么栈帧与方法是一对一的，如果我们写一个自己的方法，它的字节码应该是怎样的呢？

我们自己写了一个方法getMoney，但是要注意的是这个方法不是static的。可以看到它的字节码中方法的code的局部变量表有3行，其中第一行是this，指向了当前类。如果加上static关键字，局部变量表中就没有this了。

原因是什么呢？因为非static方法是需要对象来执行的，而对象的类被this所指定了。

3.3 iadd

看一下code的JVM指令：

0 iload_1 1 iload_2 2 iadd 3 istore_3 4 iload_3 5 ireturn

  • iload_1，将a的值读入栈顶。
  • iload_2，将b的值读入栈顶。
  • iadd，Add int。从栈顶读出value1(b的值)和value2(a的值)，然后相加得到结果result，将result值压入栈顶。
  • istore_3，栈顶出栈，将结果值存入局部变量表下标3的变量，即c的值里。
  • iload_3，将局部变量表c的值读入栈顶。
  • ireturn，Return int from method。方法返回int结果。

3.4 类内部构造其他对象

注意：前面提到了Stack Overflow。我们观察一下上图，在字节码方法的区域，有[0,1,2]三个方法，分别是init、main和add，这是Class文件中字节码代表的方法。要注意区分的是Class中的方法和JVM栈帧的区别，前者是静态的，后者是动态的，JVM栈帧在执行的时候会根据调用的层次关系逐个入栈，如果某方法并未被调用，则不会进入JVM栈帧。Class文件中每个方法静态的给出了code，这是对源码的翻译，也是JVM栈帧在执行时所需要解释执行的逐条读入的指令。

main方法中new了一个对象，下面重点看一下它的字节码指令。

0 new #2 <com/evswards/jvm/TestByteCodeJVM> 3 dup 4 invokespecial #3 <com/evswards/jvm/TestByteCodeJVM. : ()V> 7 astore_1 8 getstatic #4 <java/lang/System.out : Ljava/io/PrintStream;> 11 aload_1 12 iconst_1 13 iconst_2 14 invokespecial #5 <com/evswards/jvm/TestByteCodeJVM.add : (II)I> 17 invokevirtual #6 <java/io/PrintStream.println : (I)V> 20 return

  • new #2，创建一个对象。#2去找常量池，是一个类信息。这里涉及到对象内存的内容，包括堆的分配，GC详细学习。创建完，对象的引用objectref会压入栈顶。
  • dup，Duplicate the top operand stack value。栈顶出栈，拷贝，连续入栈2个值。
  • invokespecial，调用实例的方法。包括自动调用构造函数，以及当前类的方法以及它的父类的方法（若有）。该指令会执行操作数栈出栈，将对象引用取走使用。这就是dup要拷贝一份的原因。

后面的指令就不继续研究了，主要想体现的内容是对象引用的复制和调用时取走的机制。

3.5 返回值的接收

main方法中创建当前类对象，然后调用m方法，m方法有返回值，但是main方法并没有派变量来接收。观察右侧code的字节码指令。前面的都学习过了，直接看pop。

  • pop，这个指令很简单，就是操作数栈出栈。在执行完m方法以后，m方法的返回值会压入到main方法的栈顶，而这个返回值由于main方法没有安排变量来接收，所以直接pop掉了。

下面看另一种情况：

源码中我们做了调整，安排了int i来接收m的返回值。这时候code字节码的指令中发生了变化，原来pop的位置编程了istore_2，是因为main方法中i是在局部变量表中的下标为2的位置，前面还有0是args，1是h。所以将m的返回值在栈顶的内容直接出栈并写入到局部变量表中i的值里面。

回顾一下，this在局部变量表中什么时候出现，一定是在非static方法的局部变量表中的第一个元素。

3.6 递归

编写了一个阶乘的实现。字节码指令解释一下没见过的：

  • if_icmpne 7，比较栈顶俩值（此时栈顶俩值是前面两条指令压入，分别是iload_1压入n的值是3，然后iconst_1压入整数常量1，所以当前栈顶是1,3）是否相等，这两个值都必须是int类型，他们都会被依次出栈，然后进行对比。指令的结构是if代表控制，i代表类型，cmp是compare，ne是不等于，其他的还有：eq等于，lt小于，le小于等于，gt大于，ge大于等于。当比较结果为成功时，跳到第7行指令，即iload_1。
  • iload_1，执行前栈是空的，压入3。
  • iload_0，压入this
  • iload_1，再压入3
  • iconst_1，再压入1
  • isub，弹出栈顶1和3，用3-1，得到结果2压入栈顶。
  • invokevirtual，调用m方法，弹出传入2和this，当前栈顶为3。这里再嵌套进入新的栈帧去执行以上相同的指令。
  • 当执行到m(1)的时候，新的栈帧里面当执行到if_icmpne成功，不跳，直接返回1。ireturn返回给上一层栈帧，即m(2)，同时m(1)栈帧从当前JVM栈弹出销毁。
  • imul，相乘的指令，m(2)拿到m(1)的返回值以后，会入栈，然后imul指令会把栈顶两个值，即m(1)结果和n即2相乘得到2。
  • ireturn，m(2)的结果作为返回值给m(3)，同时m(2)栈帧从当前JVM栈弹出销毁。m(3)拿到m(2)返回值仍旧去执行imul指令，将返回值给main方法，同时m(3)栈帧从当前JVM栈弹出销毁。 那么，然后会进入到main方法栈帧，从中断位置重新执行，会拿到m(3)返回值在栈顶出栈，并记录为变量i的局部变量表中的值。

3.7 Stack Overflow

栈帧本身位于JVM栈中，针对每一个方法有一个栈帧，上面例子中如果main方法调用了add方法，JVM栈中会先读取main方法栈帧，然后在执行到调用add方法时，会继续入栈，读取add方法的栈帧。此时JVM栈中会有两个栈帧同时存在。当add方法执行完毕，会按照add方法栈帧的Return Address返回到main方法栈帧之前执行中断的位置继续执行，而同时add方法栈帧会出栈销毁（执行完毕没有用了）。

那么当方法嵌套调用太多，会导致JVM栈中的栈帧太多，超过了栈大小的限制，就会报错Stack Overflow。这部分在GC内容中会详细学习。

4、invoke指令

上面有介绍到一些invoke指令，例如invokeVirtual、InvokeStatic等。JVM的invoke指令总共有：

  • InvokeStatic，调用静态方法指令。main函数中调用一个静态方法m，这时候在main函数code中就会用到这个指令。
  • InvokeVirtual，大部分的方法调用都是这个指令，main函数中调用普通方法，需要先创建当前类的对象。InvokeVirtual指令自带多态，调用哪个对象的方法就会去到哪个对象里面，因此会创建新的方法栈帧，然后转去新的栈帧执行。
  • InvokeSpecial，目前只有构造方法和private方法使用到。因为private方法没有重写。InvokeSpecial，调用可以直接定位的，不需要多态的方法。（注意，final方法是执行InvokeVirtual，而不是InvokeSpecial）
  • InvokeInterface，通过interface来调用的方法，就需要这个指令。例如 List<String> list = new ArrayList<String>)();这时候通过list调用add方法时，list是List对象，List是一个接口，这时候调用add方法就是InvokeInterface指令。
  • InvokeDynamic，JVM最难的指令，lambda表达式或者反射或者其他动态语言，动态产生的class会用到该指令。

4.1 InvokeDynamic

lambda表达式的动态产生的类，会用到InvokeDynamic。输出的情况，看到都是Lambda的动态产生的类的情况。看一下字节码的内容：

可以验证到，字节码的指令都是用到了InvokeDynamic。

JVM规范中还有很多没有涉及到的指令，可以在用到的时候去手动查询，重点关注操作数栈的变化以及执行的描述。

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