《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：

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。 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。 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）； 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. ​
   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