JVM机器指令集

当我们将Bootstrap.java 编译成Bootstrap.class 并运行这段程序的时候&＃xff0c;在JVM复杂的运行逻辑中&＃xff0c;会有以下几步&＃xff1a;

1. 首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息加载到 内存中的方法区(Method Area)中。

    Bootstrap.class 中包含了常量池信息&＃xff0c;方法的定义 以及编译后的方法实现的二进制形式的机器指令&＃xff0c;所有的线程共享一个方法区&＃xff0c;从中读取方法定义和方法的指令集。

2. 接着&＃xff0c;JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Class实例用来表示Bootstrap.class 的 类实例。

3. JVM开始执行main方法&＃xff0c;这时会为main方法创建一个栈帧&＃xff0c;以表示main方法的整个执行过程&＃xff08;我会在后面章节中详细展开这个过程&＃xff09;&＃xff1b;

4. main方法在执行的过程之中&＃xff0c;调用了greeting静态方法&＃xff0c;则JVM会为greeting方法创建一个栈帧&＃xff0c;推到虚拟机栈顶&＃xff08;我会在后面章节中详细展开这个过程&＃xff09;。

5.当greeting方法运行完成后&＃xff0c;则greeting方法出栈&＃xff0c;main方法继续运行&＃xff1b;

JVM方法调用的过程是通过栈帧来实现的&＃xff0c;那么&＃xff0c;方法的指令是如何运行的呢&＃xff1f;弄清楚这个之前&＃xff0c;我们要先了解对于JVM而言&＃xff0c;方法的结构是什么样的。

我们知道&＃xff0c;class 文件时 JVM能够识别的二进制文件&＃xff0c;其中通过特定的结构描述了每个方法的定义。

JVM在编译Bootstrap.java 的过程中&＃xff0c;在将源代码编译成二进制机器码的同时&＃xff0c;会判断其中的每一个方法的三个信息&＃xff1a;

      1 ).  在运行时会使用到的局部变量的数量&＃xff08;作用是&＃xff1a;当JVM为方法创建栈帧的时候&＃xff0c;在栈帧中为该方法创建一个局部变量表&＃xff0c;来存储方法指令在运算时的局部变量值&＃xff09;

      2 ).  其机器指令执行时所需要的最大的操作数栈的大小&＃xff08;当JVM为方法创建栈帧的时候&＃xff0c;在栈帧中为方法创建一个操作数栈&＃xff0c;保证方法内指令可以完成工作&＃xff09;

      3 ).  方法的参数的数量

经过编译之后&＃xff0c;我们可以得到main方法和greeting方法的信息如下&＃xff1a;

注&＃xff1a; 上述编译后的信息全部都存储在Bootstrap.class 文件中&＃xff0c;并按照这Class文件格式的形式存储&＃xff0c;关于Class文件格式的定义&＃xff0c;我在前几篇文章中已经做了非常详尽的介绍&＃xff0c;如果您全部阅读了&＃xff0c;那么相信您已经可以“读懂” class 文件了。如何读懂class二进制文件中关于method及其相应机器码的组织&＃xff0c;请阅读《Java虚拟机原理图解》1.5、 class文件中的方法表集合--method方法在class文件中是怎样组织的。

JVM运行main方法的过程&＃xff1a;

1.为main方法创建栈帧&＃xff1a; 

   JVM解析main方法&＃xff0c;发现其 局部变量的数量为 2&＃xff0c;操作数栈的数量为1&＃xff0c; 则会为main方法创建一个栈帧&＃xff08;VM Stack&＃xff09;&＃xff0c;并将其加入虚拟机栈中&＃xff1a;

2. 完成栈帧初始化&＃xff1a;

main栈帧创建完成后&＃xff0c;会将栈帧push 到虚拟机栈中&＃xff0c;现在有两步重要的事情要做&＃xff1a;

a). 计算PC值。PC 是指令计数器&＃xff0c;其内部的值决定了JVM虚拟机下一步应该执行哪一个机器指令&＃xff0c;而机器指令存放在方法区&＃xff0c;我们需要让PC的值指向方法区的main方法上&＃xff1b;

初始化 PC &＃61; main方法在方法区指令的地址&＃43;0&＃xff1b;

b). 局部变量的初始化。main方法有个入参(String[] args) &＃xff0c;JVM已经在main所在的栈帧的局部变量表中为其空出来了一个slot &＃xff0c;我们需要将 args 的引用值初始化到局部点亮表中&＃xff1b;

1. 1. 接着JVM开始读取PC指向的机器指令。如上图所示&＃xff0c;main方法的指令序列&＃xff1a;12 10 4c 2b b8 20 12 b1 &＃xff0c;通过JVM虚拟机指令集规范&＃xff0c;可以将这个指令序列解析成以下Java汇编语言:
   
   

机器指令	汇编语言	解释	对栈帧的影响
0x12 0x10	ldc #16	将常量池中第16个常量池项引用推到操作数栈栈顶。 常量池第16项是CONSTANT_UTF-8_INFO项&＃xff0c;表示”Louis”字符串
0x4c	astore_1	操作数栈的栈顶元素出栈&＃xff0c;将栈顶元素的值赋给index&＃61;1 的局部变量表元素上。 这里等价于&＃xff1a;name &＃61; “Louis”.
0x2b	aload_1	将局部变量表中index&＃61;1的元素的值推到操作数栈栈顶
0xb8 0x20 0x12	invokestatic #18	0xb8表示机器指令invokestatic,操作数是0x20 <<8| 0x12 &＃61; 18&＃xff0c;操作数18表示指向常量池第18项&＃xff0c;该项是main方法的符号引用&＃xff1a; org/louis/jvm/codeset/Bootstrap.greeting:(Ljava/lang/String;)V  当JVM执行这条语句的时候&＃xff0c;会做以下几件事&＃xff1a; a).方法符号引用校验。会校验这个方法的符号引用&＃xff0c;按照这个符号规则 在常量池中查找是否有这个方法的定义&＃xff0c;如果找到了此方法的定义&＃xff0c;则表示解析成功。如果是方法greeting:(Ljava/lang/String;)V没有找到&＃xff0c;JVM会抛出错误NoSuchMethodError b).为新的方法调用创建新的栈帧。然后JVM会为此方法greeting创建一个新的栈帧(VM stack)&＃xff0c;并根据greeting中操作数栈的大小和局部变量的数量分别创建相应大小的操作数栈&＃xff1b;然后将此栈帧推到虚拟机栈的栈顶。 c).更新PC指令计数器的值。将当前PC程序计数器的值记录到greeting栈帧中&＃xff0c;当greeting执行完成后&＃xff0c;以便恢复PC值。更新PC的值&＃xff0c;使下一条执行的指令地址指向greeting方法的指令开始部分。 这条语句会使当前的main方法执行暂停&＃xff0c;使JVM进入对greeting方法的执行当中当greeting方法执行完成后&＃xff0c;才会恢复PC程序计数器的值指向当前下一条指令。
0xb1	return	返回

当main方法调用greeting()时&＃xff0c; JVM会为greeting方法创建一个栈帧&＃xff0c;用以表示对greeting方法的调用&＃xff0c;具体栈帧信息如下&＃xff1a;

具体的greeting方法的机器码表示的含义如下图所示&＃xff1a;

机器指令	汇编语言	解释	常量池引用
b2 20 1a	getstatic     #26	获取指定类的静态域&＃xff0c;并将其值压入栈顶. 将常量池中的第26个符号引用推到操作数栈中&＃xff1a;	#26&＃xff1a; // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
bb 20 20	new           #32	创建一个对象&＃xff0c;并将其引用值压入栈顶。 创建一个java/lang/StringBuider实例,将其压入栈顶。	#32: // class java/lang/StringBuilder
59	dup	复制操作数栈栈顶的值&＃xff0c;并插入到栈顶
12 22	ldc           #34	从运行时常量池中提取数据推入操作数栈 将“Hello” String引用复制到 操作数栈中	#34: // String Hello,
b7 20 24	invokespecial #36	调用超类构造方法&＃xff0c;实例初始化方法&＃xff0c;私有方法。 此处调用StringBuilder(String)构造方法&＃xff0c;并将结果推到栈顶	#36:  // Method java/lang/StringBuilder."":(Ljava/lang/String;)V
2a	aload_0	将第一个局部变量的引用推到栈顶。 当前局部变量表的第一个局部变量引用是 &＃xff1a;“Louis”&＃xff0c;即将Louis推到栈顶
b6 20 26	invokevirtual #38	调用超类构造方法&＃xff0c;实例初始化方法&＃xff0c;私有方法。 StringBuilder实例的 append(String ) 方法&＃xff0c;表示&＃xff1a; "Hello,"&＃43;"Louis".	// Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
b6 20 2a	invokevirtual #42	调用超类构造方法&＃xff0c;实例初始化方法&＃xff0c;私有方法。 调用StringBuilder实例的toString()方法&＃xff0c;结果保留在栈顶。	// Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
b6 20 2e	invokevirtual #46	调用超类构造方法&＃xff0c;实例初始化方法&＃xff0c;私有方法。 调用System.out.println(String)方法	// Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
b1	return	结束返回

3.  JVM对一个方法执行的基本策略

一般地&＃xff0c;对于java方法的执行&＃xff0c;在JVM在其某一特定线程的虚拟机栈(JVM Stack) 中会为方法分配一个 局部变量表&＃xff0c;一个操作数栈&＃xff0c;用以存储方法的运行过程中的中间值存储。

由于JVM的指令是基于栈的&＃xff0c;即大部分的指令的执行&＃xff0c;都伴随着操作数的出栈和入栈。所以在学习JVM的机器指令的时候&＃xff0c;一定要铭记一点&＃xff1a;

每个机器指令的执行&＃xff0c;对操作数栈和局部变量的影响&＃xff0c;充分地了解了这个机制&＃xff0c;你就可以非常顺畅地读懂class文件中的二进制机器指令了。

如下是栈帧信息的简化图&＃xff0c;在分析JVM指令时&＃xff0c;脑海中对栈帧有个清晰的认识&＃xff1a;

4.  机器指令的格式

所谓的机器指令&＃xff0c;就是只有机器才能够认识的二进制代码。一个机器指令分为两部分组成&＃xff1a;

注&＃xff1a;

a).  如上图所示JVM虚拟机的操作码是由一个字节组成的&＃xff0c;也就是说对于JVM虚拟机而言&＃xff0c;其指令的数量最多为 2^8,即 256个;

b). 上图中的操作码如:b2,bb,59....等等都是表示某一特定的机器指令&＃xff0c;为了方便我们识别&＃xff0c;其分别有相应的助记符&＃xff1a;getstatic,new,dup.... 这样方便我们理解。

5.  机器指令的执行模式---基于操作数栈的模式

但是Java虚拟机的设计的机制并不是这样的&＃xff0c;Java虚拟机使用操作数栈 来存储机器指令的运算过程中的值。所有的操作数的操作&＃xff0c;都要遵循出栈和入栈的规则&＃xff0c;所以在《Java虚拟机规范》中&＃xff0c;你会发现有很多机器指令都是关于出栈入栈的操作。

本文旨在介绍JVM虚拟机指令的运行原理&＃xff0c;如果你想更深入地了解指令集的信息以及使用注意事项&＃xff0c;请您阅读《Java虚拟机规范&＃xff08;Java Virtual Machine Specification&＃xff09;》 关于机器指令集的详细定义。

Java_Virtual_Machine_Specification_Java_SE_7_中文版