6.虚拟机字节码执行引擎
来源:互联网 发布:飞思卡尔单片机官网 编辑:程序博客网 时间:2024/06/07 02:02
执行引擎在执行JAVA代码的时候可以选择解释执行(通过解释器执行)和编译执行(通过即使编译器产生本地代码执行)两种选择。
栈帧(Stack Frame)是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构,它是虚拟机运行时数据区中的虚拟机栈(Virtual Machine Stack)的栈元素。栈帧存储了方法的局部变量表,操作数栈,动态连接和方法返回地址等信息。每一个方法调用的过程,就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程。
一个线程中的方法调用链可能很长,很多方法都同时处于执行状态,对于执行引擎来说,活动线程中,只有栈顶的栈帧是有效的,成为Curent Stack Frame。 这个栈帧所关联的方法称为当前方法(Current Method)。执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作。
局部变量表
用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量,在编译成CLASS文件时,就在方法的CODE属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的最大局部变量表的容量。
局部变量表的容量以变量槽(Variable Slot)为最小单位,虚拟机规范中并没有明确指出一个slot应占用的内存空间大小。
一个Slot可以存放一个32位以内的数据类型,这些类型有:boolean,byte,char,short,int,float,reference和returnAddress。returnAddress是为字节码指令jsr,jsr_w和ret服务的,指向下一条字节码的地址。
对于64位数据,JVM会以高位在前的方式分配两个连续的Slot空间。
JAVA明确规定的64位数据只有long和double两种。reference可能是32也可能是64位
JVM通过索引定位的方式使用局部变量表,索引值的范围从0开始到局部变量表最大的SLOT数量。
在方法执行时,JVM使用局部变量表完成参数值到参数变量列表的传递过程。如果是实例方法,那么局部变量表的第0位索引的SLOT默认是用于传递方法所属对象实例的引用,在方法中可以通过“this"访问到这个隐含的参数。其余参数则按照参数表的顺序排列,参数表分配完毕后,再根据方法体内部定义的变量顺序和作用于分配其余SLOT。
局部变量表中的SLOT是可以重用的,如果当前字节码PC计数器的值已经超出了某个变量的作用域,那么这个变量对应的SLOT就可以交给其他变量使用。
- public static void main(String[] args)(){
- {
- byte[] placeholder = new byte[64* 1024 * 1024];
- }
- System.gc();
- }
public static void main(String[] args)(){ { byte[] placeholder = new byte[64* 1024 * 1024]; } System.gc();}
一般认为,在大括号结束后,placeholder已经处于可以回收的状态,因为变量作用域已经超过,此时调用System.gc()理应能回收之前分配的内存,但是实际上这块内存没有被回收,这是因为局部变量表中SLOT还存在有关于placeholder数组对象的引用,如果在大括号中加入int a=0;语句,虽然看似无关,但该语句重写了局部变量表,使变量表中作为GC Roots的部分被覆盖,后面的回收操作就可以进行了。
根据上面的例子,如果在某个方法中,方法前面分配了大量的内存给后面又用不到的变量,而后面的代码又有一些耗时很长的操作,应该把前面的变量置为null,,可以将变量对应的局部变量表清空。但是,赋为NULL的操作在经过JIT编译后,会被忽略掉,因此在这种情况下,是没有意义的。
操作数栈
LIFO。操作数栈的最大深度在编译时写入到Code属性的max_stacks数据项中。
操作数栈的每一个元素可以是任意JAVA数据类型,32位数据占栈容量为1,64位占栈容量为2.
当一个方法开始执行时,这个方法的操作数栈是空的,在方法执行过程中,会有各种字节码指令向操作数栈中写入和提取内容。比如,加法的字节码指令iadd在运行时会将栈顶两个元素相加并出战,再将结果入栈。
在编译器和校验阶段的保证下,操作数栈中元素的数据类型必须与字节码指令的序列严格匹配。
动态连接
每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接。
字节码中的方法调用指令就以常量池中指向方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或第一次使用的时候转换为直接引用,成为静态解析,另一部分会在每一次运行时转换为直接引用,成为动态连接
方法返回地址
有两种方式退出当前执行的方法,一是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令,这种方法称为正常完成出口。
二是在方法执行过程中遇到无法处理的异常,这种方法称为异常完成出口。
无论哪种方法,方法退出后,都需要返回到调用者的位置,正常退出时,调用者的PC计数器值可以作为返回地址,栈帧中很可能会保存这个计数器值,而异常退出时,返回地址要通过异常处理器表来确定。
方法退出的过程实际上是将当前栈帧出战,并恢复上层方法的局部变量表和操作数栈,把返回值压入调用者的操作数栈中。
方法调用
方法调用不等于方法执行,其唯一的任务就是确定调用哪一个具体方法。
解析
所有方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中的符号引用。
在类加载的解析阶段,一部分符号引用会被转化为直接引用,这种解析成立的前提是:方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本,且这个方法的调用版本在运行时是不可改变的。符合这个条件的有静态方法和私有方法两大类。
JVM提供了4条方法调用的字节码指令:
- invokestatic:调用静态方法
- invokespecial:调用实例构造器<init>方法,私有方法和父类方法
- invokevirtual:调用所有的虚方法
- invokeinterface:调用接口方法,会在运行时再确定一个实现此接口的对象。
- Human man = new Man();
- Human woman = new Woman();
- man.sayHello();
- woman.sayHello();
- man = new Woman();
- man.sayHello();
Human man = new Man();Human woman = new Woman();man.sayHello();woman.sayHello();man = new Woman();man.sayHello();
- 0: new #16;
- 3; dup
- 4: invokespecial #18;
- 7; astore_1
- 8: new #19;
- 11:dup
- 12:invokespecial #21;
- 15:astore_2
- 16:aload_1
- 17:invokevirtual #22;
- 20:aload_2
- 21:invokevirtual #22;
- 24:new #19;
- 27:dup
- 28:invokespecial #21;
- 31:astore_1
- 32:aload_1
- 33:invokevirtual #22
- 36:return
0: new #16;3; dup4: invokespecial #18;7; astore_18: new #19;11:dup12:invokespecial #21;15:astore_216:aload_117:invokevirtual #22;20:aload_221:invokevirtual #22;24:new #19;27:dup28:invokespecial #21;31:astore_132:aload_133:invokevirtual #2236:return
- 找到操作数栈顶的第一个元素所指向的对象的实际类型,记作C
- 如果在类型C中找到与常量中的描述符和简单名称都相符的方法,则进行访问权限校验,通过则返回该方法直接引用,不通过抛出java.lang.IllegalAccessError
- 否则,按照继承关系从下往上一次对C的各个父类进行第二步的搜索和验证
- 没找到合适方法,抛出java.lang.AbstractMethodError异常
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