探究Java虛擬機(jī)?！狫ava進(jìn)階

前言

Java 虛擬機(jī)的內(nèi)存模型分為兩部分：一部分是線程共享的，包括 Java 堆和方法區(qū)；另一部分是線程私有的，包括虛擬機(jī)棧和本地方法棧，以及程序計(jì)數(shù)器這一小部分內(nèi)存。今天我就 Java 虛擬機(jī)棧做一些比較淺的探究。

熟悉 Java 的同學(xué)應(yīng)該都知道了，JVM 是基于棧的。但是這個(gè)“棧” 具體指的是什么？難道就是虛擬機(jī)棧？想要回答這個(gè)問(wèn)題我們先要從虛擬機(jī)棧的結(jié)構(gòu)談起。

虛擬機(jī)棧

何為虛擬機(jī)棧

虛擬機(jī)棧的棧元素是棧幀，當(dāng)有一個(gè)方法被調(diào)用時(shí)，代表這個(gè)方法的棧幀入棧；當(dāng)這個(gè)方法返回時(shí)，其棧幀出棧。因此，虛擬機(jī)棧中棧幀的入棧順序就是方法調(diào)用順序。什么是棧幀呢？棧幀可以理解為一個(gè)方法的運(yùn)行空間。它主要由兩部分構(gòu)成，一部分是局部變量表，方法中定義的局部變量以及方法的參數(shù)就存放在這張表中；另一部分是操作數(shù)棧，用來(lái)存放操作數(shù)。我們知道，Java 程序編譯之后就變成了一條條字節(jié)碼指令，其形式類似匯編，但和匯編有不同之處：匯編指令的操作數(shù)存放在數(shù)據(jù)段和寄存器中，可通過(guò)存儲(chǔ)器或寄存器尋址找到需要的操作數(shù)；而 Java 字節(jié)碼指令的操作數(shù)存放在操作數(shù)棧中，當(dāng)執(zhí)行某條帶 n 個(gè)操作數(shù)的指令時(shí)，就從棧頂取 n 個(gè)操作數(shù)，然后把指令的計(jì)算結(jié)果（如果有的話）入棧。因此，當(dāng)我們說(shuō) JVM 執(zhí)行引擎是基于棧的時(shí)候，其中的“?！敝傅木褪遣僮鲾?shù)棧。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子對(duì)比下匯編指令和 Java 字節(jié)碼指令的執(zhí)行過(guò)程，比如計(jì)算 1 + 2，在匯編指令是這樣的：

mov ax,1;把1放入寄存器 axadd ax,2;用 ax 的內(nèi)容和2相加后存入 ax

而 JVM 的字節(jié)碼指令是這樣的：

iconst_1 //把整數(shù) 1 壓入操作數(shù)棧iconst_2 //把整數(shù) 2 壓入操作數(shù)棧iadd //棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)相加后出棧，結(jié)果入棧

由于操作數(shù)棧是內(nèi)存空間，所以字節(jié)碼指令不必?fù)?dān)心不同機(jī)器上寄存器以及機(jī)器指令的差別，從而做到了平臺(tái)無(wú)關(guān)。

注意，局部變量表中的變量不可直接使用，如需使用必須通過(guò)相關(guān)指令將其加載操作數(shù)棧中作為操作數(shù)使用。比如有一個(gè)方法 void foo()，其中的代碼為：int a = 1 + 2; int b = a + 3;，編譯為字節(jié)碼指令就是這樣的：

iconst_1 //把整數(shù) 1 壓入操作數(shù)棧iconst_2 //把整數(shù) 2 壓入操作數(shù)棧iadd //棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)出棧后相加，結(jié)果入棧；實(shí)際上前三步會(huì)被編譯器優(yōu)化為：iconst_3istore_1 //把棧頂?shù)膬?nèi)容放入局部變量表中索引為 1 的 slot 中，也就是 a 對(duì)應(yīng)的空間中iload_1 // 把局部變量表索引為 1 的 slot 中存放的變量值（3）加載操作數(shù)棧iconst_3 iadd //棧頂?shù)膬蓚€(gè)數(shù)出棧后相加，結(jié)果入棧istore_2 // 把棧頂?shù)膬?nèi)容放入局部變量表中索引為 2 的 slot 中，也就是 b 對(duì)應(yīng)的空間中return// 方法返回指令，回到調(diào)用點(diǎn)

需要說(shuō)明的是，局部變量表以及操作數(shù)棧的容量的較大值在編譯時(shí)就已經(jīng)確定了，運(yùn)行時(shí)不會(huì)改變。并且局部變量表的空間是可以復(fù)用的，例如，當(dāng)指令的位置超出了局部變量表中某個(gè)變量 a 的作用域時(shí)，如果有新的局部變量 b 要被定義，b 就會(huì)覆蓋 a 在局部變量表的空間。

盜用別人的圖以讓大家對(duì)虛擬機(jī)棧有個(gè)直觀的認(rèn)識(shí)（其中小字體 Stack 指的的是虛擬機(jī)棧，F(xiàn)rame 是棧幀，Local variables 是局部變量表，Operand Stack 是操作數(shù)棧）：

由虛擬機(jī)棧引出的問(wèn)題

看完上面的代碼大家可能會(huì)有幾點(diǎn)疑惑：什么是 slot？那些指令是什么意思？為什么 a 對(duì)應(yīng)的 slot 的索引值不是從零開始的，它明明是靠前個(gè)定義的變量??？

對(duì)于這些問(wèn)題我們一個(gè)個(gè)來(lái)解決。

什么是 slot

首先什么是 slot？slot 是局部變量表中的空間單位，虛擬機(jī)規(guī)范中有規(guī)定，對(duì)于 32 位之內(nèi)的數(shù)據(jù)，用一個(gè) slot 來(lái)存放，如 int，short，float 等；對(duì)于 64 位的數(shù)據(jù)用連續(xù)的兩個(gè) slot 來(lái)存放，如 long，double 等。引用類型的變量 JVM 并沒(méi)有規(guī)定其長(zhǎng)度，它可能是 32 位，也有可能是 64 位的，所以既有可能占一個(gè) slot，也有可能占兩個(gè) slot。

JVM 字節(jié)碼指令

第二個(gè)問(wèn)題，那些指令是什么意思？

指令格式

首先我們要理解 Java 指令的格式，Java 的指令以字節(jié)為單位，也就是一個(gè)字節(jié)代表一條指令。比如 iconst_1 就是一條指令，它占一個(gè)字節(jié)，那么自然 Java 指令不會(huì)超過(guò) 256 條。實(shí)際上 Java 指令目前定義了 200 多條。指令雖然是一個(gè)字節(jié)，但是它也可以帶自己的操作數(shù)。JVM 中有這樣一條指令 putstatic，其作用是給特定的的靜態(tài)字段賦值。但是給哪個(gè)字段賦值呢？?jī)H僅通過(guò)這條指令并不能說(shuō)明，那么只有通過(guò)操作數(shù)來(lái)指定了。緊跟在 putstatic 后面的兩個(gè)字節(jié)就是它的操作數(shù)，這個(gè)操作數(shù)是一個(gè)索引值，指向運(yùn)行時(shí)常量池中該靜態(tài)字段對(duì)應(yīng)的符號(hào)引用。由于符號(hào)引用包含了該字段的基本信息，如所屬類、簡(jiǎn)單名稱以及描述符，因此 putstatic 指令就知道是給哪個(gè)類的哪個(gè)字段賦值了。

指令的操作數(shù)分兩種：一種是嵌入在指令中的，通常是指令字節(jié)后面的若干個(gè)字節(jié)；另一種是存放在操作數(shù)棧中的。為了區(qū)別，我們把前者叫做嵌入式操作數(shù)，把后者叫做棧內(nèi)操作數(shù)。這兩者的區(qū)別是：嵌入式操作數(shù)是在編譯時(shí)就已經(jīng)確定的，運(yùn)行時(shí)不會(huì)改變，它和指令一樣存放于類文件方法表的 Code 屬性中；而操作數(shù)是運(yùn)行時(shí)確定的，即程序在執(zhí)行過(guò)程中動(dòng)態(tài)生成的。拿 putstatic 指令來(lái)說(shuō)，它有一個(gè)嵌入式操作數(shù)，該操作數(shù)是一個(gè)索引值（前面已經(jīng)提到），它由兩個(gè)字節(jié)組成，緊跟在 putstatic 對(duì)應(yīng)的字節(jié)之后；同時(shí)它還有一個(gè)棧內(nèi)操作數(shù)，位于操作數(shù)棧的棧頂，這個(gè)操作數(shù)就是要賦給靜態(tài)字段的值，其對(duì)應(yīng)的字節(jié)數(shù)根據(jù)靜態(tài)字段的類型決定。如果靜態(tài)字段的類型是 short、int、boolean、char 或者 byte，那么這個(gè)操作數(shù)就必須是 int 類型，即由棧頂?shù)?4 個(gè)字節(jié)組成；如果是 float、double 或者 long 類型，那么操作數(shù)就是相應(yīng)的類型，即由棧頂?shù)?4 個(gè)、8 個(gè) 或者 8 個(gè) 字節(jié)組成；如果靜態(tài)字段是引用類型，那么這個(gè)操作數(shù)的類型也必須是引用類型，即由棧頂?shù)?8 個(gè)字節(jié)組成。

再舉一個(gè)例子。iconst_<i> 代表了一個(gè)指令族，它的意思是把整數(shù) i 放入操作數(shù)棧中，i 的范圍是(m1, 0, 1, 2, 3, 4, 5)，其中 m1 代表的是 -1。注意，這里的 i 并不是指令的操作數(shù)（即非嵌入式操作數(shù)，也非棧內(nèi)操作數(shù)），如 iconst_1、iconst_2 和 iconst3 都是由一個(gè)字節(jié)組成的字節(jié)碼指令。我們可以把 i 可以看作是指令的 “隱含操作數(shù)”，即指令本身就蘊(yùn)含了操作數(shù)。如果整數(shù) i 超過(guò) [-1, 5] 這個(gè)范圍，就不能用 iconst<i> 表示了，因?yàn)閮H一個(gè)字節(jié)的字節(jié)碼指令不可能蘊(yùn)含所有的整數(shù)。此時(shí)就需要 bipush 這條指令了，這條指令有一個(gè)嵌入式操作數(shù)，由一個(gè)字節(jié)組成，用來(lái)表示要放入棧頂?shù)哪莻€(gè)整數(shù)，該整數(shù)放入棧頂時(shí)通過(guò)擴(kuò)展符號(hào)位變?yōu)?32 位的整型。但是一個(gè)字節(jié)也表示不了所有的整數(shù)，如果整數(shù)值超過(guò)一個(gè)字節(jié)所能表示的范圍，就只能通過(guò) ldc 這條指令了，這條指令帶有一個(gè)字節(jié)的嵌入式操作數(shù)，它代表的是一個(gè)指向運(yùn)行時(shí)常量池中 Constant_Integer_info 類型常量的索引，通過(guò)索引的方式引用運(yùn)行時(shí)常量池中的整數(shù)，再大的整數(shù)也不怕了。