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

  • 虚拟机栈(jvm stacks)是线程独占的

  • 里面是多个栈帧(frame)或叫方法帧(class里的每个方法独占一个栈帧,所以也可以称之为方法帧)

  • 每个栈帧里包含:局部变量区/操作数栈/动态链接/方法的返回地址

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:

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

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