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《Java虚拟机原理图解》4.JVM机器指令集

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0. 前言

Java虚拟机和真实的计算机一样,运行的都是二进制的机器码;而我们将.java 源代码编译成.class 文件,class文件便是Java虚拟机能够认识的二进制机器码,Java能够识别class文件中的信息和机器指令,进而执行这些机器指令。那么,Java虚拟机是如何运行这些二进制的机器码的呢? 本文将通过一个非常简单的例子,带你感受一下Java虚拟机运行机器码的过程和其工作的基本原理。

读完本文,你将会了解到:

1、Java虚拟机对运行时虚拟机栈(JVM Stack) 的组织

2、方法调用过程是怎样在JVM中表示的

3、JVM对一个方法执行的基本策略

4. JVM机器指令的格式

5. 机器指令的执行模式---基于操作数栈的模式

1. Java虚拟机对运行时虚拟机栈(JVM Stack)的组织

    Java虚拟机在运行时会为每一个线程在内存中分配了一个虚拟机栈,来表示线程的运行状态和信息,虚拟机栈中的元素称之为栈帧(JVM stack frame),每一个栈帧表示这对一个方法的调用信息。如下所示:

上述的描述可能会有点抽象,为了给读者一个直观的感受,我们定义一个简单的Java类,然后执行这个运行这个类,逐步分析整个Java虚拟机的运行时信息的组织的。

2.  方法调用过程在JVM中是如何表示的

我们将定义如下带有main方法的简单类org.louis.jvm.codeset.Bootstrap.java ,逐步分析该类在JVM中是如何表示的,方法是如何一步步运行的:

package org.louis.jvm.codeset; /** * JVM 原理简单用例 * @author louis * */ public class Bootstrap { public static void main(String[] args) { String name = "Louis"; greeting(name); } public static void greeting(String name) { System.out.println("Hello,"+name); } }

当我们将Bootstrap.java 编译成Bootstrap.class 并运行这段程序的时候,在JVM复杂的运行逻辑中,会有以下几步:

1. 首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息加载到 内存中的方法区(Method Area)中。     Bootstrap.class 中包含了常量池信息,方法的定义 以及编译后的方法实现的二进制形式的机器指令,所有的线程共享一个方法区,从中读取方法定义和方法的指令集。 2. 接着,JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Class<Bootstrap>实例用来表示Bootstrap.class 的 类实例。 3. JVM开始执行main方法,这时会为main方法创建一个栈帧,以表示main方法的整个执行过程(我会在后面章节中详细展开这个过程); 4. main方法在执行的过程之中,调用了greeting静态方法,则JVM会为greeting方法创建一个栈帧,推到虚拟机栈顶(我会在后面章节中详细展开这个过程)。 5.当greeting方法运行完成后,则greeting方法出栈,main方法继续运行;

JVM方法调用的过程是通过栈帧来实现的,那么,方法的指令是如何运行的呢?弄清楚这个之前,我们要先了解对于JVM而言,方法的结构是什么样的。

我们知道,class 文件时 JVM能够识别的二进制文件,其中通过特定的结构描述了每个方法的定义。

JVM在编译Bootstrap.java 的过程中,在将源代码编译成二进制机器码的同时,会判断其中的每一个方法的三个信息:

      1 ).  在运行时会使用到的局部变量的数量(作用是:当JVM为方法创建栈帧的时候,在栈帧中为该方法创建一个局部变量表,来存储方法指令在运算时的局部变量值)

      2 ).  其机器指令执行时所需要的最大的操作数栈的大小(当JVM为方法创建栈帧的时候,在栈帧中为方法创建一个操作数栈,保证方法内指令可以完成工作)

      3 ).  方法的参数的数量

经过编译之后,我们可以得到main方法和greeting方法的信息如下:

注: 上述编译后的信息全部都存储在Bootstrap.class 文件中,并按照这Class文件格式的形式存储,关于Class文件格式的定义,我在前几篇文章中已经做了非常详尽的介绍,如果您全部阅读了,那么相信您已经可以“读懂” class 文件了。如何读懂class二进制文件中关于method及其相应机器码的组织,请阅读《Java虚拟机原理图解》1.5、 class文件中的方法表集合--method方法在class文件中是怎样组织的

JVM运行main方法的过程:

1.为main方法创建栈帧: 

   JVM解析main方法,发现其 局部变量的数量为 2,操作数栈的数量为1, 则会为main方法创建一个栈帧(VM Stack),并将其加入虚拟机栈中:

2. 完成栈帧初始化:

main栈帧创建完成后,会将栈帧push 到虚拟机栈中,现在有两步重要的事情要做: a). 计算PC值。PC 是指令计数器,其内部的值决定了JVM虚拟机下一步应该执行哪一个机器指令,而机器指令存放在方法区,我们需要让PC的值指向方法区的main方法上; 初始化 PC = main方法在方法区指令的地址+0; b). 局部变量的初始化。main方法有个入参(String[] args) ,JVM已经在main所在的栈帧的局部变量表中为其空出来了一个slot ,我们需要将 args 的引用值初始化到局部点亮表中;

    1. 接着JVM开始读取PC指向的机器指令。如上图所示,main方法的指令序列:12 10 4c 2b b8 20 12 b1 ,通过JVM虚拟机指令集规范,可以将这个指令序列解析成以下Java汇编语言:

机器指令 汇编语言 解释 对栈帧的影响 0x12 0x10 ldc #16 将常量池中第16个常量池项引用推到操作数栈栈顶。 常量池第16项是CONSTANT_UTF-8_INFO项,表示”Louis”字符串

0x4c astore_1 操作数栈的栈顶元素出栈,将栈顶元素的值赋给index=1 的局部变量表元素上。 这里等价于:name = “Louis”.

0x2b aload_1 将局部变量表中index=1的元素的值推到操作数栈栈顶

0xb8 0x20 0x12 invokestatic #18 0xb8表示机器指令invokestatic,操作数是0x20 << 8| 0x12 = 18,操作数18表示指向常量池第18项,该项是main方法的符号引用: org/louis/jvm/codeset/Bootstrap.greeting:(Ljava/lang/String;)V  当JVM执行这条语句的时候,会做以下几件事: a).方法符号引用校验。会校验这个方法的符号引用,按照这个符号规则 在常量池中查找是否有这个方法的定义,如果找到了此方法的定义,则表示解析成功。如果是方法greeting:(Ljava/lang/String;)V没有找到,JVM会抛出错误NoSuchMethodError b).为新的方法调用创建新的栈帧。然后JVM会为此方法greeting创建一个新的栈帧(VM stack),并根据greeting中操作数栈的大小和局部变量的数量分别创建相应大小的操作数栈;然后将此栈帧推到虚拟机栈的栈顶。 c).更新PC指令计数器的值。将当前PC程序计数器的值记录到greeting栈帧中,当greeting执行完成后,以便恢复PC值。更新PC的值,使下一条执行的指令地址指向greeting方法的指令开始部分。 这条语句会使当前的main方法执行暂停,使JVM进入对greeting方法的执行当中当greeting方法执行完成后,才会恢复PC程序计数器的值指向当前下一条指令。 0xb1 return 返回

当main方法调用greeting()时, JVM会为greeting方法创建一个栈帧,用以表示对greeting方法的调用,具体栈帧信息如下:

具体的greeting方法的机器码表示的含义如下图所示:

机器指令 汇编语言 解释 常量池引用 b2 20 1a getstatic     #26 获取指定类的静态域,并将其值压入栈顶. 将常量池中的第26个符号引用推到操作数栈中: #26: // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; bb 20 20 new           #32 创建一个对象,并将其引用值压入栈顶。 创建一个java/lang/StringBuider实例,将其压入栈顶。 #32: // class java/lang/StringBuilder 59  dup 复制操作数栈栈顶的值,并插入到栈顶 12 22 ldc           #34 从运行时常量池中提取数据推入操作数栈 将“Hello” String引用复制到 操作数栈中 #34: // String Hello, b7 20 24   invokespecial #36  调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法。 此处调用StringBuilder(String)构造方法,并将结果推到栈顶 #36:  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":(Ljava/lang/String;)V 2a   aload_0 将第一个局部变量的引用推到栈顶。 当前局部变量表的第一个局部变量引用是 :“Louis”,即将Louis推到栈顶 b6 20 26 invokevirtual #38 调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法。 StringBuilder实例的 append(String ) 方法,表示: "Hello,"+"Louis". // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder; b6 20 2a   invokevirtual #42 调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法。 调用StringBuilder实例的toString()方法,结果保留在栈顶。  // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String; b6 20 2e invokevirtual #46 调用超类构造方法,实例初始化方法,私有方法。 调用System.out.println(String)方法  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V b1 return 结束返回

3.  JVM对一个方法执行的基本策略

一般地,对于java方法的执行,在JVM在其某一特定线程的虚拟机栈(JVM Stack) 中会为方法分配一个 局部变量表,一个操作数栈,用以存储方法的运行过程中的中间值存储。 由于JVM的指令是基于栈的,即大部分的指令的执行,都伴随着操作数的出栈和入栈。所以在学习JVM的机器指令的时候,一定要铭记一点: 每个机器指令的执行,对操作数栈和局部变量的影响,充分地了解了这个机制,你就可以非常顺畅地读懂class文件中的二进制机器指令了。 如下是栈帧信息的简化图,在分析JVM指令时,脑海中对栈帧有个清晰的认识:

4.  机器指令的格式

所谓的机器指令,就是只有机器才能够认识的二进制代码。一个机器指令分为两部分组成:

注: a).  如上图所示JVM虚拟机的操作码是由一个字节组成的,也就是说对于JVM虚拟机而言,其指令的数量最多为 2^8,即 256个; b). 上图中的操作码如:b2,bb,59....等等都是表示某一特定的机器指令,为了方便我们识别,其分别有相应的助记符:getstatic,new,dup.... 这样方便我们理解。

5.  机器指令的执行模式---基于操作数栈的模式

对于传统的物理机而言,大部分的机器指令的设计都是寄存器的,物理机内设置若干个寄存器,用以存储机器指令运行过程中的值,寄存器的数量和支持的指令的个数决定了这个机器的处理能力。

但是Java虚拟机的设计的机制并不是这样的,Java虚拟机使用操作数栈 来存储机器指令的运算过程中的值。所有的操作数的操作,都要遵循出栈和入栈的规则,所以在《Java虚拟机规范》中,你会发现有很多机器指令都是关于出栈入栈的操作。

本文旨在介绍JVM虚拟机指令的运行原理,如果你想更深入地了解指令集的信息以及使用注意事项,请您阅读《Java虚拟机规范(Java Virtual Machine Specification)》 关于机器指令集的详细定义。

Java_Virtual_Machine_Specification_Java_SE_7_中文版 

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