欢迎来到Under The Hood专栏。本专栏旨在让Java开发人员一瞥在运行Java程序底层的神秘机制。本月的文章继续讨论Java虚拟机的字节码指令集,方法是检查Java虚拟机处理异常抛出和捕获的方式,包括相关的字节码。本文不讨论finally
条款 - 这是下个月的主题。后续文章将讨论字节码系列的其他成员。
Exceptions
Exceptions允许您顺利处理程序运行时发生的意外情况。要演示Java虚拟机处理异常的方式,请考虑一个名为NitPickyMath的类。它提供了对整数执行加法,减法,乘法,除法和余数的方法。NitPickyMath在溢出,下溢和被零除的条件下抛出已检查的异常。Java虚拟机将在整数除零上抛出一个ArithmeticException,但不会在溢出和下溢上抛出任何异常。方法抛出的异常定义如下:
class OverflowException extends Exception {
}
class UnderflowException extends Exception {
}
class DivideByZeroException extends Exception {
}
捕获和抛出异常的简单方法是remainder类的方法NitPickyMath:
static int remainder(int dividend, int divisor)
throws DivideByZeroException {
try {
return dividend % divisor;
}
catch (ArithmeticException e) {
throw new DivideByZeroException();
}
}
该remainder方法仅在传递两个int参数时执行余数运算。如果余数运算的除数为零,则余数运算抛出一个ArithmeticException。这个方法捕获了这个ArithmeticException并抛出一个DivideByZeroException。
DivideByZeroException和ArithmeticException之间的差别是DivideByZeroException是一个检查异常,并且ArithmeticException是未经检查。因为ArithmeticException是非受检异常,所以方法不需要在throws子句中声明此异常,即使它可能会抛出它。任何属于Error或者RuntimeException子类的异常都是非受检异常。(ArithmeticException是RuntimeException的子类。)通过捕获ArithmeticException然后抛出DivideByZeroException,该remainder方法强制其客户端处理除零异常的可能性,通过捕获它或在自己的throws子句中声明DivideByZeroException。这是因为已检查的异常,例如DivideByZeroException,抛出方法必须由方法捕获或在方法的throws子句中声明。未经检查的异常(例如ArithmeticException,不需要在throws子句中捕获或声明)。
javac
为该remainder
方法生成以下字节码序列:
The main bytecode sequence for remainder:
0 iload_0 // Push local variable 0 (arg passed as divisor)
1 iload_1 // Push local variable 1 (arg passed as dividend)
2 irem // Pop divisor, pop dividend, push remainder
3 ireturn // Return int on top of stack (the remainder)
The bytecode sequence for the catch (ArithmeticException) clause:
4 pop // Pop the reference to the ArithmeticException
// because it isn't used by this catch clause.
5 new #5 <Class DivideByZeroException>
// Create and push reference to new object of class
// DivideByZeroException.
DivideByZeroException
8 dup // Duplicate the reference to the new
// object on the top of the stack because it
// must be both initialized
// and thrown. The initialization will consume
// the copy of the reference created by the dup.
9 invokenonvirtual #9 <Method DivideByZeroException.<init>()V>
// Call the constructor for the DivideByZeroException
// to initialize it. This instruction
// will pop the top reference to the object.
12 athrow // Pop the reference to a Throwable object, in this
// case the DivideByZeroException,
// and throw the exception.
该remainder
方法的字节码序列有两个独立的部分。第一部分是该方法的正常执行路径。这部分从pc偏移0到3。第二部分是catch子句,它从pc偏移4到12。
主字节码序列中的irem指令可能会抛出一个ArithmeticException
。如果发生这种情况,Java虚拟机知道通过查找表中的异常来跳转到实现catch子句的字节码序列。捕获异常的每个方法都与一个异常表相关联,该异常表在类文件中与方法的字节码序列一起传递。每个try块捕获的每个异常在异常表中都有一个条目。每个条目都有四条信息:起点和终点,要跳转到的字节码序列中的pc偏移量,以及正被捕获的异常类的常量池索引。remainder
类的NitPickyMath
方法的异常表如下所示:
Exception table:
from to target type
0 4 4 <Class java.lang.ArithmeticException>
上面的异常表指示从pc偏移0到3(包括0),表示ArithmeticException将被捕获的范围。在标签“to”下面的表中列出的是try块的端点值,它总是比捕获异常的最后一个pc偏移量多一。在这种情况下,端点值列为4,捕获到异常的最后一个pc偏移量为3。此范围(包括0到3)对应于在remainder的try块内实现代码的字节码序列。如果ArithmeticException在pc偏移量为0和3之间(包括0和3)之间抛出,则表中列出的"to"就是跳转到的pc偏移量。
如果在执行方法期间抛出异常,Java虚拟机将在异常表中搜索匹配的条目。如果当前程序计数器在条目指定的范围内,并且抛出的异常类是由条目指定的异常类(或者是指定异常类的子类),则异常表条目匹配。Java虚拟机按照条目在表中的显示顺序搜索异常表。找到第一个匹配项后,Java虚拟机会将程序计数器设置为新的pc偏移位置并继续执行。如果未找到匹配项,Java虚拟机将弹出当前堆栈帧并重新抛出相同的异常。当Java虚拟机弹出当前堆栈帧时,它有效地中止当前方法的执行并返回调用此方法的方法。但是,不是在前一个方法中继续正常执行,而是在该方法中抛出相同的异常,这会导致Java虚拟机经历搜索该方法的异常表的相同过程。
Java程序员可以使用throw语句抛出异常,例如remainder中的一个子句catch(ArithmeticException),其中一个 DivideByZeroException创建并抛出。执行抛出的字节码如下表所示:
OPCODE | OPERAND(S) | DESCRIPTION |
---|---|---|
athrow | (none) | pops Throwable object reference, throws the exception |
athrow指令从堆栈中弹出顶部字节,并且会认为它是一个Throwable
子类的引用(或Throwable
本身)。抛出的异常是弹出对象引用定义的类型。
Play Ball!: a Java virtual machine simulation
下面的applet演示了一个执行一系列字节码的Java虚拟机。模拟中的字节码序列由javac生成。
类的playBall方法如下所示:
class Ball extends Exception {
}
class Pitcher {
private static Ball ball = new Ball();
static void playBall() {
int i = 0;
while (true) {
try {
if (i % 4 == 3) {
throw ball;
}
++i;
}
catch (Ball b) {
i = 0;
}
}
}
}
javac为该playBall
方法生成的字节码如下所示:
0 iconst_0 // Push constant 0
1 istore_0 // Pop into local var 0: int i = 0;
// The try block starts here (see exception table, below).
2 iload_0 // Push local var 0
3 iconst_4 // Push constant 4
4 irem // Calc remainder of top two operands
5 iconst_3 // Push constant 3
6 if_icmpne 13 // Jump if remainder not equal to 3: if (i % 4 == 3) {
// Push the static field at constant pool location #5,
// which is the Ball exception itching to be thrown
9 getstatic #5 <Field Pitcher.ball LBall;>
12 athrow // Heave it home: throw ball;
13 iinc 0 1 // Increment the int at local var 0 by 1: ++i;
// The try block ends here (see exception table, below).
16 goto 2 // jump always back to 2: while (true) {}
// The following bytecodes implement the catch clause:
19 pop // Pop the exception reference because it is unused
20 iconst_0 // Push constant 0
21 istore_0 // Pop into local var 0: i = 0;
22 goto 2 // Jump always back to 2: while (true) {}
Exception table:
from to target type
2 16 19 <Class Ball>
该playball
方法永远循环。每四次循环,playball抛出Ball
并抓住它,只是因为它很有趣。因为try块和catch子句都在无限循环中,所以乐趣永远不会停止。局部变量i从0开始,每次递增递增循环。当if
语句出现true
时,每次i等于3 时都会发生Ball
异常,抛出异常。
Java虚拟机检查异常表并发现确实存在适用的条目。条目的有效范围是2到15(包括两者),异常在pc偏移12处抛出。条目捕获的异常是类Ball
,抛出的异常是类Ball
。鉴于这种完美匹配,Java虚拟机将抛出的异常对象推送到堆栈,并继续在pc偏移19处执行catch子句,这里仅将int i重置为0,并且循环重新开始。
要驱动模拟,只需按“步骤”按钮。每次按下“Step”按钮都会使Java虚拟机执行一个字节码指令。要开始模拟,请按“重置”按钮。要使Java虚拟机重复执行字节码而不需要进一步操作,请按“运行”按钮。然后,Java虚拟机将执行字节码,直到按下“停止”按钮。applet底部的文本区域描述了要执行的下一条指令。快乐点击。