《Java虛擬機原理圖解》8.JVM機器指令集

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0. 前言

     Java虛擬機和真實的計算機同樣，運行的都是二進制的機器碼；而咱們將.java 源代碼編譯成.class 文件，class文件即是Java虛擬機可以認識的二進制機器碼，Java可以識別class文件中的信息和機器指令，進而執行這些機器指令。那麼，Java虛擬機是如何運行這些二進制的機器碼的呢? 本文將經過一個很是簡單的例子，帶你感覺一下Java虛擬機運行機器碼的過程和其工做的基本原理。

讀完本文，你將會了解到：

一、Java虛擬機對運行時虛擬機棧(JVM Stack) 的組織

二、方法調用過程是怎樣在JVM中表示的

三、JVM對一個方法執行的基本策略

4. JVM機器指令的格式

5. 機器指令的執行模式---基於操做數棧的模式

1. Java虛擬機對運行時虛擬機棧（JVM Stack）的組織

    Java虛擬機在運行時會爲每個線程在內存中分配了一個虛擬機棧，來表示線程的運行狀態和信息，虛擬機棧中的元素稱之爲棧幀（JVM stack frame）,每個棧幀表示這對一個方法的調用信息。以下所示：

上述的描述可能會有點抽象，爲了給讀者一個直觀的感覺，咱們定義一個簡單的Java類，而後執行這個運行這個類，逐步分析整個Java虛擬機的運行時信息的組織的。

2.  方法調用過程在JVM中是如何表示的

咱們將定義以下帶有main方法的簡單類org.louis.jvm.codeset.Bootstrap.java ，逐步分析該類在JVM中是如何表示的，方法是如何一步步運行的：

    
    
    
    

    
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       
 
        package org.louis.jvm.codeset; 
       
 
      
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       
 
        /** 
       
 
      
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       
 
         * JVM 原理簡單用例 
       
 
      
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       
 
         * @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); 
       
 
      
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       

         } 
       
 
      
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       
 
       
 
      
 
 
     
 
      
 
       
 
      
 
      
 
       

         } 
       
 
      
 

    

當咱們將Bootstrap.java 編譯成Bootstrap.class 並運行這段程序的時候，在JVM複雜的運行邏輯中，會有如下幾步：

1. 首先JVM會先將這個Bootstrap.class 信息加載到 內存中的方法區(Method Area)中。

    Bootstrap.class 中包含了常量池信息，方法的定義 以及編譯後的方法實現的二進制形式的機器指令，全部的線程共享一個方法區，從中讀取方法定義和方法的指令集。

2. 接着，JVM會在Heap堆上爲Bootstrap.class 建立一個Class<Bootstrap>實例用來表示Bootstrap.class 的 類實例。

3. JVM開始執行main方法，這時會爲main方法建立一個棧幀，以表示main方法的整個執行過程（我會在後面章節中詳細展開這個過程）；

4. main方法在執行的過程之中，調用了greeting靜態方法，則JVM會爲greeting方法建立一個棧幀，推到虛擬機棧頂（我會在後面章節中詳細展開這個過程）。

5.當greeting方法運行完成後，則greeting方法出棧，main方法繼續運行；

JVM方法調用的過程是經過棧幀來實現的，那麼，方法的指令是如何運行的呢？弄清楚這個以前，咱們要先了解對於JVM而言，方法的結構是什麼樣的。

咱們知道，class 文件時 JVM可以識別的二進制文件，其中經過特定的結構描述了每一個方法的定義。

JVM在編譯Bootstrap.java 的過程當中，在將源代碼編譯成二進制機器碼的同時，會判斷其中的每個方法的三個信息：

      1 ).  在運行時會使用到的局部變量的數量（做用是：當JVM爲方法建立棧幀的時候，在棧幀中爲該方法建立一個局部變量表，來存儲方法指令在運算時的局部變量值）

      2 ).  其機器指令執行時所須要的最大的操做數棧的大小（當JVM爲方法建立棧幀的時候，在棧幀中爲方法建立一個操做數棧，保證方法內指令能夠完成工做）

      3 ).  方法的參數的數量

通過編譯以後，咱們能夠獲得main方法和greeting方法的信息以下：

注： 上述編譯後的信息所有都存儲在Bootstrap.class 文件中，並按照這Class文件格式的形式存儲，關於Class文件格式的定義，我在前幾篇文章中已經作了很是詳盡的介紹，若是您所有閱讀了，那麼相信您已經能夠「讀懂」 class 文件了。如何讀懂class二進制文件中關於method及其相應機器碼的組織，請閱讀《Java虛擬機原理圖解》1.五、 class文件中的方法表集合--method方法在class文件中是怎樣組織的。

JVM運行main方法的過程：

1.爲main方法建立棧幀： 

   JVM解析main方法，發現其 局部變量的數量爲 2，操做數棧的數量爲1， 則會爲main方法建立一個棧幀（VM Stack），並將其加入虛擬機棧中：

2. 完成棧幀初始化：

main棧幀建立完成後，會將棧幀push 到虛擬機棧中，如今有兩步重要的事情要作：

a). 計算PC值。PC 是指令計數器，其內部的值決定了JVM虛擬機下一步應該執行哪個機器指令，而機器指令存放在方法區，咱們須要讓PC的值指向方法區的main方法上；

初始化 PC = main方法在方法區指令的地址+0；

b). 局部變量的初始化。main方法有個入參(String[] args) ，JVM已經在main所在的棧幀的局部變量表中爲其空出來了一個slot ，咱們須要將 args 的引用值初始化到局部點亮表中；

1. 1. 接着JVM開始讀取PC指向的機器指令。如上圖所示，main方法的指令序列：12 10 4c 2b b8 20 12 b1 ，經過JVM虛擬機指令集規範，能夠將這個指令序列解析成如下Java彙編語言:

機器指令	彙編語言	解釋	對棧幀的影響
0x12 0x10	ldc #16	將常量池中第16個常量池項引用推到操做數棧棧頂。 常量池第16項是CONSTANT_UTF-8_INFO項，表示」Louis」字符串
0x4c	astore_1	操做數棧的棧頂元素出棧，將棧頂元素的值賦給index=1 的局部變量表元素上。 這裏等價於：name = 「Louis」.
0x2b	aload_1	將局部變量表中index=1的元素的值推到操做數棧棧頂
0xb8 0x20 0x12	invokestatic #18	0xb8表示機器指令invokestatic,操做數是0x20 << 8| 0x12 = 18，操做數18表示指向常量池第18項，該項是main方法的符號引用： org/louis/jvm/codeset/Bootstrap.greeting:(Ljava/lang/String;)V  當JVM執行這條語句的時候，會作如下幾件事： a).方法符號引用校驗。會校驗這個方法的符號引用，按照這個符號規則 在常量池中查找是否有這個方法的定義，若是找到了此方法的定義，則表示解析成功。若是是方法greeting:(Ljava/lang/String;)V沒有找到，JVM會拋出錯誤NoSuchMethodError b).爲新的方法調用建立新的棧幀。而後JVM會爲此方法greeting建立一個新的棧幀(VM stack)，並根據greeting中操做數棧的大小和局部變量的數量分別建立相應大小的操做數棧；而後將此棧幀推到虛擬機棧的棧頂。 c).更新PC指令計數器的值。將當前PC程序計數器的值記錄到greeting棧幀中，當greeting執行完成後，以便恢復PC值。更新PC的值，使下一條執行的指令地址指向greeting方法的指令開始部分。 這條語句會使當前的main方法執行暫停，使JVM進入對greeting方法的執行當中當greeting方法執行完成後，纔會恢復PC程序計數器的值指向當前下一條指令。
0xb1	return	返回

當main方法調用greeting()時， JVM會爲greeting方法建立一個棧幀，用以表示對greeting方法的調用，具體棧幀信息以下：

具體的greeting方法的機器碼錶示的含義以下圖所示：

機器指令	彙編語言	解釋	常量池引用
b2 20 1a	getstatic     #26	獲取指定類的靜態域，並將其值壓入棧頂. 將常量池中的第26個符號引用推到操做數棧中：	#26： // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
bb 20 20	new           #32	建立一個對象，並將其引用值壓入棧頂。 建立一個java/lang/StringBuider實例,將其壓入棧頂。	#32: // class java/lang/StringBuilder
59	dup	複製操做數棧棧頂的值，並插入到棧頂
12 22	ldc           #34	從運行時常量池中提取數據推入操做數棧 將「Hello」 String引用複製到 操做數棧中	#34: // String Hello,
b7 20 24	invokespecial #36	調用超類構造方法，實例初始化方法，私有方法。 此處調用StringBuilder(String)構造方法，並將結果推到棧頂	#36:  // Method java/lang/StringBuilder."<init>":(Ljava/lang/String;)V
2a	aload_0	將第一個局部變量的引用推到棧頂。 當前局部變量表的第一個局部變量引用是 ：「Louis」，即將Louis推到棧頂
b6 20 26	invokevirtual #38	調用超類構造方法，實例初始化方法，私有方法。 StringBuilder實例的 append(String ) 方法，表示： "Hello,"+"Louis".	// Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
b6 20 2a	invokevirtual #42	調用超類構造方法，實例初始化方法，私有方法。 調用StringBuilder實例的toString()方法，結果保留在棧頂。	// Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
b6 20 2e	invokevirtual #46	調用超類構造方法，實例初始化方法，私有方法。 調用System.out.println(String)方法	// Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
b1	return	結束返回

3.  JVM對一個方法執行的基本策略

通常地，對於java方法的執行，在JVM在其某一特定線程的虛擬機棧(JVM Stack) 中會爲方法分配一個 局部變量表，一個操做數棧，用以存儲方法的運行過程當中的中間值存儲。

因爲JVM的指令是基於棧的，即大部分的指令的執行，都伴隨着操做數的出棧和入棧。因此在學習JVM的機器指令的時候，必定要銘記一點：

每一個機器指令的執行，對操做數棧和局部變量的影響，充分地瞭解了這個機制，你就能夠很是順暢地讀懂class文件中的二進制機器指令了。

以下是棧幀信息的簡化圖，在分析JVM指令時，腦海中對棧幀有個清晰的認識：

4.  機器指令的格式

所謂的機器指令，就是隻有機器纔可以認識的二進制代碼。一個機器指令分爲兩部分組成：

注：

a).  如上圖所示JVM虛擬機的操做碼是由一個字節組成的，也就是說對於JVM虛擬機而言，其指令的數量最多爲 2^8,即 256個;

b). 上圖中的操做碼如:b2,bb,59....等等都是表示某一特定的機器指令，爲了方便咱們識別，其分別有相應的助記符：getstatic,new,dup.... 這樣方便咱們理解。

5.  機器指令的執行模式---基於操做數棧的模式

對於傳統的物理機而言，大部分的機器指令的設計都是寄存器的，物理機內設置若干個寄存器，用以存儲機器指令運行過程當中的值，寄存器的數量和支持的指令的個數決定了這個機器的處理能力。

可是Java虛擬機的設計的機制並非這樣的，Java虛擬機使用操做數棧 來存儲機器指令的運算過程當中的值。全部的操做數的操做，都要遵循出棧和入棧的規則，因此在《Java虛擬機規範》中，你會發現有不少機器指令都是關於出棧入棧的操做。