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虚拟机栈


虚拟机栈(java stack)

百度图片搜索里的动图搜索功能不错,可以搜索一些动图,展示操作数栈的操作过程,比较形象。这点google差点意思

示例

  1. 文件SimpleExample.java

    1 class SimpleExample {
    2 	public static void main(String[] args) {
    3 		int result = add(2,3);
    4 		System.out.println(result);
    5 	}
    6 	public static int add(int a, int b) {
    7 		return a+b;
    8 	}
    9 }
    
  2. 编译源代码生产字节码文件SimpleExample.class

    -g Generates all debugging information, including local variables. By default, only line number and source file information is generated.

    作用是反编译的时候产生局部变量表

    javac -g SimpleExample.java
    
  3. 反编译

    javap -v -l -p SimpleExample.class
    

    man -a javap查看帮助信息

    -l Prints line and local variable tables.

    -v Prints stack size, number of locals and arguments for methods.

    -p Shows all classes and members.

    ➜  myJavaDir javap -v -l -p  SimpleExample
    Classfile /Users/xxxx/myJavaDir/SimpleExample.class
      Last modified Oct 29, 2019; size 642 bytes
      // 字节码的md5值
      MD5 checksum e54540b1d2c0620b7e4eb555a8192a78
      Compiled from "SimpleExample.java"
    class SimpleExample
      minor version: 0
      major version: 52
      flags: ACC_SUPER
    //class常量池
    Constant pool:
       #1 = Methodref          #6.#26         // java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Methodref          #5.#27         // SimpleExample.add:(II)I
       #3 = Fieldref           #28.#29        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       #4 = Methodref          #30.#31        // java/io/PrintStream.println:(I)V
       #5 = Class              #32            // SimpleExample
       #6 = Class              #33            // java/lang/Object
       #7 = Utf8               <init>
       #8 = Utf8               ()V
       #9 = Utf8               Code
      #10 = Utf8               LineNumberTable
      #11 = Utf8               LocalVariableTable
      #12 = Utf8               this
      #13 = Utf8               LSimpleExample;
      #14 = Utf8               main
      #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
      #16 = Utf8               args
      #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
      #18 = Utf8               result
      #19 = Utf8               I
      #20 = Utf8               add
      #21 = Utf8               (II)I
      #22 = Utf8               a
      #23 = Utf8               b
      #24 = Utf8               SourceFile
      #25 = Utf8               SimpleExample.java
      #26 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
      #27 = NameAndType        #20:#21        // add:(II)I
      #28 = Class              #34            // java/lang/System
      #29 = NameAndType        #35:#36        // out:Ljava/io/PrintStream;
      #30 = Class              #37            // java/io/PrintStream
      #31 = NameAndType        #38:#39        // println:(I)V
      #32 = Utf8               SimpleExample
      #33 = Utf8               java/lang/Object
      #34 = Utf8               java/lang/System
      #35 = Utf8               out
      #36 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
      #37 = Utf8               java/io/PrintStream
      #38 = Utf8               println
      #39 = Utf8               (I)V
    {
      // 默认构造函数,即使我们不写,也会自动产生
      SimpleExample();
        descriptor: ()V
        flags:
        Code:
          // 栈帧的操作数栈里有一个元素,栈帧的局部变量表里有一个变量(为this即SimpleExample对象),构造方法有一个入参(this),构建方法的第一个参数(和默认参数)是this
          stack=1, locals=1, args_size=1
             // 把局部变量表(数组结构)里的索引为0的数据(this对象)放入操作数栈
             0: aload_0
             // 调用(this)父类(这里是Object)的构造方法
             1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
             // 返回,清空操作数栈和局部变量表
             4: return
          // 源代码和字节码指令序号的映射表   
          LineNumberTable:
            // 代码的第一行("class SimpleExample {")对应的指令为0: aload_0
            line 1: 0
          // 局部变量表  
          LocalVariableTable:
             // 变量名字是this,长度为5个字节。局部变量表第一项是个reference(引用),它指定的就是对象本身的引用,也就是我们常用的this,但是在静态方法中,没这个引用
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       5     0  this   LSimpleExample;
       
      public static void main(java.lang.String[]);
        descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
        // 方法修饰符public static
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          // 栈帧里的操作数栈为2,局部变量数量为2,参数个数为1
          stack=2, locals=2, args_size=1
             // 把常量池里的整数2压入操作数栈
             0: iconst_2
             // 把常量池里的整数3压入操作数栈
             1: iconst_3
             // 调用class常量池里的#2即静态方法add,返回结果入栈顶。由于该方法需要两个整数做参数,所以invokestatic从操作数栈中弹出两个元素,并将它们传给由JVM为add()创建的新栈帧,保存在add方法帧的局部变量表里。main()的操作数栈此时是空的。
             2: invokestatic  #2                  // Method add:(II)I
             // 把操作数栈的栈顶的一个整数元素取出,存入局部变量表的索引为1的位置,也就是result的值
             5: istore_1
             // getstatic将类型为java/io/PrintStream的静态字段java/lang/System.out压入栈中
             6: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
             // iload_1将局部变量表(数组结构)里的索引位置为1处的变量(就是result的值,现在等于5)压入到操作数栈中。所以此时栈保存了两个值:out字段和值5
             9: iload_1
             // 现在invokevirtual准备调用PrintSteam.println()方法。它从栈中弹出两个元素:第一个元素是对将要调用println()方法的对象的引用。第二个元素是一个要传递给println()方法的整型参数,它只需要一个参数。这是main()方法打印相加的结果的地方
            10: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
            // return命令完成该方法。主帧被丢弃,JVM进程结束
            13: return
          LineNumberTable:
            // 源代码第3行(int result = add(2,3);)对应字节码指令(0: iconst_2,1: iconst_3, 2: invokestatic #2,5: istore_1)直到(line 4: 6)
            line 3: 0
            line 4: 6
            line 5: 13
          LocalVariableTable:
            // main方法栈帧的局部变量变里有两个变量args、result。静态方法,没有this引用,第一个变量就不再是this
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0      14     0  args   [Ljava/lang/String;
                6       8     1 result   I
       
      public static int add(int, int);
        // (II)I表示方法add为两个int的入参数,返回类型为int
        descriptor: (II)I
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
        Code:
          // 栈帧里的操作数栈为2,局部变量数量为2,参数个数为2
          stack=2, locals=2, args_size=2
             // 把add方法帧局部变量表里索引为0的元素值(这里为整数2)压入add方法帧的操作数栈
             0: iload_0
             // 把add方法帧局部变量表里索引为1的元素值(这里为整数3)压入add方法帧的操作数栈
             1: iload_1
             // 把操作数栈的栈顶的2个整数从操作数栈里取出,然后相加,最后把结果再次存入操作数栈
             2: iadd
             // 正常情况下,当前帧操作数栈的栈顶值出栈,压入调用方法的操作上栈的栈顶,丢弃当前帧操作数栈的其他值,销毁了add方法帧。恢复到调用方法帧,调用方法(invoker)继续执行
             3: ireturn
          LineNumberTable:
            // 源代码的第7行(return a+b;)对应上面的字节码指令(0: iload_0)及后续指令
            line 7: 0
          LocalVariableTable:
            // 栈帧里的局部变量表里有2个变量a和b,类型为int,大小都为4个字节,在局部变量表里的索引位置为0和1
            Start  Length  Slot  Name   Signature
                0       4     0     a   I
                0       4     1     b   I
    }
    SourceFile: "SimpleExample.java"
       
    

示例:

package com.demo3;
public class Test {
    public static void foo() {
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 5;
    }
    public static void main(String[] args) {
        foo();
    }
}

基于栈的Hotspot的执行过程如下:

img

参考

浅谈虚拟机内存模型

Java虚拟机—栈帧、操作数栈和局部变量表

JVM体系结构101:了解虚拟机

jvm指令集

通过javap命令分析java汇编指令