阿里P7淺析Java虛擬機如何處理異常

Exceptions

Exceptions容許您順利處理程序運行時發生的意外狀況。要演示Java虛擬機處理異常的方式，請考慮一個名爲NitPickyMath的類。它提供了對整數執行加法，減法，乘法，除法和餘數的方法。NitPickyMath在溢出，下溢和被零除的條件下拋出已檢查的異常。Java虛擬機將在整數除零上拋出一個ArithmeticException，但不會在溢出和下溢上拋出任何異常。方法拋出的異常定義以下：

class OverflowException extends Exception {
}
class UnderflowException extends Exception {
}
class DivideByZeroException extends Exception {
}

捕獲和拋出異常的簡單方法是remainder類的方法NitPickyMath：

static int remainder(int dividend, int divisor)
 throws DivideByZeroException {
 try {
 return dividend % divisor;
 }
 catch (ArithmeticException e) {
 throw new DivideByZeroException();
 }
}

該remainder方法僅在傳遞兩個 int 參數時執行餘數運算。若是餘數運算的除數爲零，則餘數運算拋出一個ArithmeticException。這個方法捕獲了這個ArithmeticException並拋出一個DivideByZeroException。
DivideByZeroException和ArithmeticException之間的差異是 DivideByZeroException是一個 檢查 異常，而且ArithmeticException是 未經檢查 。由於ArithmeticException是非受檢異常，因此方法不須要在throws子句中聲明此異常，即便它可能會拋出它。任何屬於 Error 或者 RuntimeException子類的異常都是非受檢異常。（ArithmeticException 是 RuntimeException 的子類。）經過捕獲ArithmeticException而後拋出 DivideByZeroException ，該 remainder 方法強制其客戶端處理除零異常的可能性，經過捕獲它或在本身的throws子句中聲明 DivideByZeroException 。這是由於已檢查的異常，例如 DivideByZeroException ，拋出方法必須由方法捕獲或在方法的throws子句中聲明。未經檢查的異常（例如 ArithmeticException ，不須要在throws子句中捕獲或聲明）。

javac 爲該 remainder 方法生成如下字節碼序列：

The main bytecode sequence for remainder:
 0 iload_0 // Push local variable 0 (arg passed as divisor)
 1 iload_1 // Push local variable 1 (arg passed as dividend)
 2 irem // Pop divisor, pop dividend, push remainder
 3 ireturn // Return int on top of stack (the remainder)
The bytecode sequence for the catch (ArithmeticException) clause:
 4 pop // Pop the reference to the ArithmeticException
 // because it isn't used by this catch clause. 
 5 new #5 <Class DivideByZeroException>
 // Create and push reference to new object of class
 // DivideByZeroException.
DivideByZeroException
 8 dup // Duplicate the reference to the new
 // object on the top of the stack because it 
 // must be both initialized 
 // and thrown. The initialization will consume
 // the copy of the reference created by the dup.
 9 invokenonvirtual #9 <Method DivideByZeroException.<init>()V>
 // Call the constructor for the DivideByZeroException
 // to initialize it. This instruction
 // will pop the top reference to the object.
 12 athrow // Pop the reference to a Throwable object, in this
 // case the DivideByZeroException, 
 // and throw the exception.

該 remainder 方法的字節碼序列有兩個獨立的部分。第一部分是該方法的正常執行路徑。這部分從pc偏移0到3。第二部分是catch子句，它從pc偏移4到12。

主字節碼序列中的 irem 指令可能會拋出一個 ArithmeticException 。若是發生這種狀況，Java虛擬機知道經過查找表中的異常來跳轉到實現catch子句的字節碼序列。捕獲異常的每一個方法都與一個異常表相關聯，該異常表在類文件中與方法的字節碼序列一塊兒傳遞。每一個try塊捕獲的每一個異常在異常表中都有一個條目。每一個條目都有四條信息：起點和終點，要跳轉到的字節碼序列中的pc偏移量，以及正被捕獲的異常類的常量池索引。 remainder 類的 NitPickyMath 方法的異常表以下所示：

Exception table:
 from to target type
 0 4 4 <Class java.lang.ArithmeticException>

上面的異常表指示從pc偏移0到3（包括0），表示 ArithmeticException 將被捕獲的範圍。在標籤「to」下面的表中列出的是try塊的端點值，它老是比捕獲異常的最後一個pc偏移量多一。在這種狀況下，端點值列爲4，捕獲到異常的最後一個pc偏移量爲3。此範圍（包括0到3）對應於在 remainder 的try塊內實現代碼的字節碼序列。若是 ArithmeticException 在pc偏移量爲0和3之間（包括0和3）之間拋出，則表中列出的"to"就是跳轉到的pc偏移量。

若是在執行方法期間拋出異常，Java虛擬機將在異常表中搜索匹配的條目。若是當前程序計數器在條目指定的範圍內，而且拋出的異常類是由條目指定的異常類（或者是指定異常類的子類），則異常表條目匹配。Java虛擬機按照條目在表中的顯示順序搜索異常表。找到第一個匹配項後，Java虛擬機會將程序計數器設置爲新的pc偏移位置並繼續執行。若是未找到匹配項，Java虛擬機將彈出當前堆棧幀並從新拋出相同的異常。當Java虛擬機彈出當前堆棧幀時，它有效地停止當前方法的執行並返回調用此方法的方法。可是，不是在前一個方法中繼續正常執行，而是在該方法中拋出相同的異常，這會致使Java虛擬機經歷搜索該方法的異常表的相同過程。

Java程序員能夠使用throw語句拋出異常，例如 remainder 中的一個子句catch（ ArithmeticException ），其中一個 DivideByZeroException 建立並拋出。執行拋出的字節碼以下表所示：

athrow 指令從堆棧中彈出頂部字節，而且會認爲它是一個 Throwable 子類的引用（或 Throwable 自己）。拋出的異常是彈出對象引用定義的類型。

Play Ball!: a Java virtual machine simulation

下面的applet演示了一個執行一系列字節碼的Java虛擬機。模擬中的字節碼序列由javac生成。

類的playBall方法以下所示：

class Ball extends Exception {
}
class Pitcher {
 private static Ball ball = new Ball();
 static void playBall() {
 int i = 0;
 while (true) {
 try {
 if (i % 4 == 3) {
 throw ball;
 }
 ++i;
 }
 catch (Ball b) {
 i = 0;
 }
 }
 }
}

javac爲該 playBall 方法生成的字節碼以下所示：

0 iconst_0 // Push constant 0
 1 istore_0 // Pop into local var 0: int i = 0;
 // The try block starts here (see exception table, below).
 2 iload_0 // Push local var 0
 3 iconst_4 // Push constant 4
 4 irem // Calc remainder of top two operands
 5 iconst_3 // Push constant 3
 6 if_icmpne 13 // Jump if remainder not equal to 3: if (i % 4 == 3) {
 // Push the static field at constant pool location #5,
 // which is the Ball exception itching to be thrown
 9 getstatic #5 <Field Pitcher.ball LBall;>
 12 athrow // Heave it home: throw ball;
 13 iinc 0 1 // Increment the int at local var 0 by 1: ++i;
 // The try block ends here (see exception table, below).
 16 goto 2 // jump always back to 2: while (true) {}
 // The following bytecodes implement the catch clause:
 19 pop // Pop the exception reference because it is unused
 20 iconst_0 // Push constant 0
 21 istore_0 // Pop into local var 0: i = 0;
 22 goto 2 // Jump always back to 2: while (true) {}
Exception table:
 from to target type
 2 16 19 <Class Ball>

該 playball 方法永遠循環。每四次循環，playball拋出 Ball 並抓住它，只是由於它頗有趣。由於try塊和catch子句都在無限循環中，因此樂趣永遠不會中止。局部變量 i 從0開始，每次遞增遞增循環。當 if 語句出現 true 時，每次 i 等於3 時都會發生 Ball 異常，拋出異常。

Java虛擬機檢查異常表並發現確實存在適用的條目。條目的有效範圍是2到15（包括二者），異常在pc偏移12處拋出。條目捕獲的異常是類 Ball ，拋出的異常是類 Ball 。鑑於這種完美匹配，Java虛擬機將拋出的異常對象推送到堆棧，並繼續在pc偏移19處執行catch子句，這裏僅將 int i 重置爲0，而且循環從新開始。

要驅動模擬，只需按「步驟」按鈕。每次按下「Step」按鈕都會使Java虛擬機執行一個字節碼指令。要開始模擬，請按「重置」按鈕。要使Java虛擬機重複執行字節碼而不須要進一步操做，請按「運行」按鈕。而後，Java虛擬機將執行字節碼，直到按下「中止」按鈕。applet底部的文本區域描述了要執行的下一條指令。快樂點擊。

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