浅谈 JVM 3:指令集及其执行

2022/1/22 23:34:51

本文主要是介绍浅谈 JVM 3:指令集及其执行,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

上文我们聊了如何参考 JVM 规范 解读 Java 字节码。但对于字节码方法字段 Code 中的 JVM 指令 执行过程我们留下了疑问,这次我们来谈谈。

运行时区域

我们先来看一下更加详细一些的 JVM 逻辑区域划分。

可以看出,在 JVM 中主要划分为 5 块区域:

  • 方法区
  • Java 堆
  • 程序计数器
  • Java 栈
  • 本地方法栈

在执行字节码前,虚拟机需要先将 .class 文件加载进来。相关类的信息会存放在 方法区 中。Code 字段的信息就会放在此区域,后续配合 Java 方法栈 执行。

当我们通过 new Ojbect() 或反射等方式创建对象时,JVM 会在 Java 堆 中为对象分配内存。

方法区Java 方法栈 为线程公有内存区域,所以当我们多线程访问同一个对象时,需要进行加锁操作,来处理线程并发处理数据所引发的问题。锁操作的实现,也和指令集相关。

其他三个均为线程私有区域。

程序计数器 保存当前线程中,当前执行的字节码指令位置。

Java 方法栈 型数据结构,具有后进先出的特性。其组成元素为 栈帧。每当执行一个方法时,会根据该方法对应的 Code 属性生成对应栈帧,压入到栈中。方法执行完毕时,栈帧出栈。当前正在执行的方法处在栈顶的位置。本地方法栈Java 方法栈 类似,不过它处理的是 C++ 编写的 native 方法。

每个 栈帧 包括局部变量表、操作数栈、动态连接、返回值等内容。动态连接为指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,目的是为支持方法调用的动态连接。动态连接是 Java 支持动态特性的关键所在,此部分我们之后专门花篇幅介绍,此处先浅尝辄止。返回值则代表当前方法计算结果,返回给上一级调用方法。

局部变量表 用于存放方法参数和内部定义的局部变量。在字节码中方法的 Code 属性定义了 max_locals 属性表示局部变量表的最大容量。局部变量表以 变量槽 为单位存储数据。其实际占用内存空间大小虚拟机规范并未规定,可由虚拟机各自实现。只要求一个变量槽可存储下 boolean、byte、char、short、int、float 等类型数据。所以对于 double、long 类型数据会占用两个变量槽的空间。boolean 在此被使用 0、1 存储。由此可以看出,JVM 中的类型和 Java 代码中的类型并不一致。

操作数栈 也是一个后进先出栈,其最大深度同样在 Code 中有所体现。这块区域供字节码指令调用时使用,保存指令调用所需参数和结果。

运行时栈帧结构和指令集

对于 JVM 指令集,可以参考官方文档。

在此,我们结合一段简单代码,了解一下常见指令集。

Java 代码如下:

private int getThisIsInt() {
    int a = 2;
    return mThisIsInt * a;
}

编译后字节码如下:

0 iconst_2
1 istore_1
2 aload_0
3 getfield #7 <Demo.mThisIsInt : I>
6 iload_1
7 imul
8 ireturn
  • iconst_2 将 int 类型常量 2 压栈到操作数栈中
  • istore_1 将操作数栈的 int 值出栈,放入局部变量表槽位 1 的地方
  • aload_0 加载局部变量表槽位 0 处的引用到操作数栈中,此处为当前对象的引用 objectref
  • getfield #7 获取当前类的运行时常量池 #7 变量,此指令执行完后,objectref 出栈,获取到的值入栈
  • iload_1 从局部变量表槽位 1 处加载值到操作数栈中
  • imul 将操作数栈中靠近栈顶的两个值出栈,做乘法,将结果压栈
  • ireturn 将当前方法操作数栈中的值出栈,并压栈到调用者方法的操作数栈中

可对照下图梳理指令执行时,局部变量表和操作数栈的变化情况。

JVM 指令集较多,限于篇幅无法一一介绍。但其遵循一定规律,如下。

  • Tload_X:将局部变量表数据加载到操作数栈中,T 为类型,如 iload 为加载 int 类型,fload 加载 float 类型。X 为局部变量表槽位索引
  • Tstore_X:将操作数栈数据出栈,存入局部变量表。T、X 和上文含义一致
  • Tconst_X:将 T 类型常量 X 压入操作数栈
  • Tmul:将操作数栈的两个 T 类型常量相乘,结果放入操作数栈。类似的有除法 Tdiv、加法 Tadd 等
  • i2b:int 类型转换为 byte 数据,类似指令有 i2c、f2i 等
  • new:对象创建指令
  • ifeq:分支控制指令,类似指令有 iflt、ifnull、goto 等
  • invokevirtual:方法调用指令,类似指令有 invokespecial、invokestatic 等
  • monitorenter:同步指令,有加锁操作时会添加此指令,对应 monitorexit 代表退出同步

更加详细的指令介绍,请参考 官方文档。

总结

本次我们了解了 JVM 运行时区域划分,指令集运行时所依赖的局部变量表和操作数栈等结构,和指令集的类型和操作影响。

指令集中包含了锁操作对应的 monitorentermonitorexit 指令,和方法调用对应的 invokevirtual 等指令。这些指令和 JVM 实现线程安全和方法的动态连接密切关联。线程安全在我们日常开发中至关重要。方法的继承和重写又是面向对象语言的重要特征。所以 在 JVM 层面,这些都是如何实现的呢?我们下次有时间再聊。



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