JVM 字节码执行实例分析

前言

最近在看《Java 虚拟机规范》和《深入理解JVM虚拟机》，对于字节码的执行有了进一步的了解。字节码就像是汇编语言，是 JVM 的指令集。下面我们先对 JVM 执行引擎做一下简单介绍，然后根据实例分析 JVM 字节码的执行过程。包括：

for 循环字节码分析
try-catch-finally 字节码分析

运行时栈帧结构

栈帧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。每一个方法从调用开始至执行完成的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程。

在编译程序员代码的时候，栈帧中局部变量表和操作数栈的大小已经确定了，并且写入到方法表中的 Code 属性中。

在活动线程中，只有位于栈顶的栈帧才是有效的，称为当前栈帧，与这个栈帧关联的方法称为当前方法。执行引擎运行的所有字节码指令只对当前栈帧进行操作。

局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。局部变量表的容量以变量槽（slot）为最小单位，每个 slot 保证能放下 32 位内的数据类型。虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值从 0 开始。值得注意的是，对于实例方法，局部变量表中第 0 位索引的 slot 默认是 this引用；静态方法则不是。而且为了节约内存，slot 是可以重用的。

操作数栈

操作数栈的元素可以是任意的 Java 数据类型。当一个方法开始时，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈入栈操作。

实例分析

下面分析的字节码指令主要是对局部变量表和操作栈的读写。

for 循环字节码分析

void spin() {
    int i;
    for (i = 0; i < 100; i++) {
        ; // Loop body is empty
    }
}

上面是一个空循环的代码，编译后的字节码如下：

Method void spin()
    0 iconst_0 // Push int constant 0
    1 istore_1 // Store into local variable 1 (i=0)
    2 goto 8 // First time through don’t increment
    5 iinc 1 1 // Increment local variable 1 by 1 (i++)
    8 iload_1 // Push local variable 1 (i)
    9 bipush 100 // Push int constant 100
    11 if_icmplt 5 // Compare and loop if less than (i < 100)
    14 return // Return void when done

相信大家看到上面的代码都是一脸懵逼，即使有注释还是不知道字节码到底做了什么操作。下面我就图解每一条指令，帮助理解。上面的代码都是对局部变量表和操作数栈的操作，所以我们的关注点就在这两个区域上。（栈是自顶向下的）

0 iconst_0 //把常量0放入栈
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|        |   0    |
+-----------------+
|        |        |
+--------+--------+

1 istore_1 //把栈顶的元素出栈，存到局部变量表索引为1的位置
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|   0    |        |
+-----------------+
|        |        |
+--------+--------+

2 goto 8 //跳转到第8条指令

8 iload_1 //把局部变量表中索引为1的变量入栈
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|   0    |   0    |
+-----------------+
|        |        |
+--------+--------+

9 bipush 100 //把100入栈
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|   0    |   0    |
+-----------------+
|        |  100   |
+--------+--------+

11 if_icmplt 5 //出栈两个元素v1，v2，比较它们的值，当且仅当v1 < v2，跳转到指令5
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|   0    |        |
+-----------------+
|        |        |
+--------+--------+

5 iinc 1 1 //自增局部变量表中索引为1的值
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|   1    |        |
+-----------------+
|        |        |
+--------+--------+

//进行下次循环直到指令11不满足，到达指令14
14 return //清空栈，执行引擎把控制权交换给调用者。
+--------+--------+
| local  | stack  |
+-----------------+
|   100  |        |
+-----------------+
|        |        |
+--------+--------+

以上就是for循环字节码执行的过程。可以发现，所有指令都是围绕者局部变量表和操作数栈在操作。

解惑
指令iconst_0,iload_1的命名解读
第一个i代表这是对int数据类型进行的操作
const,load是操作码
0,1是隐含的操作数
上面的两个指令等价于iconst 0,iload 1
详细的字节码解释查阅《JVM 虚拟机规范》

try-catch-finally 字节码分析

static int inc(){
    int x;
    try {
        x = 1;
        return x;
    } catch (Exception e){
        x = 2;
        return x;
    } finally {
        x = 3;
    }
}

下面是它的字节码，这次我就不画图了，里面的命令跟上面的类似。

static int inc();
descriptor: ()I
flags: ACC_STATIC
Code:
  stack=1, locals=4, args_size=0
     0: iconst_1  //try 块中的 x = 1;
     1: istore_0  //保存栈顶元素到局部变量表中索引为 0 的 slot 中
     2: iload_0   //加载局部变量表中索引为 0 的值到栈中
     3: istore_1  //保存栈顶元素到局部变量表中索引为 1 的 slot 中
     4: iconst_3  //finally 块中的 x = 3;
     5: istore_0  //保存栈顶元素到局部变量表中索引为 0 的 slot 中，x 的值存在这里。
     6: iload_1  //加载局部变量表中索引为 1 的值到栈中
     7: ireturn  //返回栈顶元素，即 x = 1;正常情况下函数运行到这里就结束了，如果出现异常根据异常表跳转到指定的位置
     8: astore_1 //给 catch 块中定义的 Exception e 赋值，存储在 slot1 中。
     9: iconst_2 //catch 块中的 x = 2;
    10: istore_0
    11: iload_0
    12: istore_2
    13: iconst_3 //finally 块中的 x = 3;
    14: istore_0
    15: iload_2
    16: ireturn //此时返回的是 slot2 中的值，即 x = 2
    17: astore_3 //如果出现不属于 java.lang.Exception 及其子类的异常，才会根据异常表中的规则跳转到这里。
    18: iconst_3 //finally 块中的 x = 3;
    19: istore_0
    20: aload_3 //将异常加载到栈顶，
    21: athrow //抛出栈顶的异常
  Exception table:
     from    to  target type
         0     4     8   Class java/lang/Exception
         0     4    17   any
         8    13    17   any

字节码中 0 ~ 4 行将整数 1 赋值为变量 x，x 存储在 slot0 中，并且将 x 的值拷贝一份放到 slot1。如果没有出现异常，继续走到 5 ~ 7 行，将 x 赋值为 3，然后读取 slot1 中的值到栈顶，最后ireturn返回栈顶的值，方法结束。

如果出现异常，PC 寄存器指针转到第 8 行，第 8 ~ 16 行所做的事情就是将 2 赋值给 x，然后保存 x 的拷贝，最后将 x 赋值为 3。方法返回前将 x 的拷贝 2 读取到栈顶。

如果在 0 ~ 4，8 ~ 13 行中出现其他异常，则跳转到第 17 行执行，先同样执行finally块中的x = 3，最后抛出异常，方法结束。

可以看到，Java 的异常处理是通过异常表的方式来决定代码执行的路径。而finally的实现是通过在每个路径的最后加入finally块中的字节码实现的。

参考资料

《Java 虚拟机规范》、《深入理解JVM虚拟机》

巴特西