专注虚拟机与编译器研究

第30篇-main()方法的执行

在第7篇详细介绍过为Java方法创建的栈帧,如下图所示。

调用完generate_fixed_frame()函数后一些寄存器中保存的值如下:

rbx:Method*
ecx:invocation counter
r13:bcp(byte code pointer)
rdx:ConstantPool* 常量池的地址
r14:本地变量表第1个参数的地址

现在我们举一个例子,来完整的走一下解释执行的过程。这个例子如下:

package com.classloading;

public class Test {
	public static void main(String[] args) {
		int i = 0;
		i = i++;
	}
}

通过javap -verbose Test.class命令反编译后的字节码文件内容如下: 

Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#12         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #13            // com/classloading/Test
   #3 = Class              #14            // java/lang/Object
   #4 = Utf8               <init>
   #5 = Utf8               ()V
   #6 = Utf8               Code
   #7 = Utf8               LineNumberTable
   #8 = Utf8               main
   #9 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #10 = Utf8               SourceFile
  #11 = Utf8               Test.java
  #12 = NameAndType        #4:#5          // "<init>":()V
  #13 = Utf8               com/classloading/Test
  #14 = Utf8               java/lang/Object
{
  ...

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=1
         0: iconst_0
         1: istore_1
         2: return
}

如上实例对应的栈帧状态如下图所示。

现在我们就以解释执行的方式执行main()方法中的字节码。由于是从虚拟机调用过来的,而调用完generate_fixed_frame()函数后一些寄存器中保存的值并没有涉及到栈顶缓存,所以需要从iconst_0这个字节码指令的vtos入口进入,然后找到iconst_0这个字节码指令对应的机器指令片段。

现在回顾一下字节码分派的逻辑,在generate_normal_entry()函数中会调用generate_fixed_frame()函数为Java方法的执行生成对应的栈帧,接下来还会调用dispatch_next()函数执行Java方法的字节码,首次获取字节码时的汇编如下:

// 在generate_fixed_frame()方法中已经让%r13存储了bcp
movzbl 0x0(%r13),%ebx    // %ebx中存储的是字节码的操作码
 
// $0x7ffff73ba4a0这个地址指向的是对应state状态下的一维数组,长度为256
movabs $0x7ffff73ba4a0,%r10
 
// 注意%r10中存储的是常量,根据计算公式%r10+%rbx*8来获取指向存储入口地址的地址,
// 通过*(%r10+%rbx*8)获取到入口地址,然后跳转到入口地址执行
jmpq *(%r10,%rbx,8)

注意如上的$0x7ffff73ba4a0这个常量值已经表示了栈顶缓存状态为vtos下的一维数组首地址。而在首次进行方法的字节码分派时,通过0x0(%r13)即可取出字节码对应的Opcode,使用这个Opcode可定位到iconst_0的入口地址。

%r10指向的是对应栈顶缓存状态state下的一维数组,长度为256,其中存储的值为Opcode,这在第8篇详细介绍过,示意图如下图所示。

 

现在就是看入口为vtos,出口为itos的iconst_0所要执行的汇编代码了,如下:

...

// vtos入口
mov $0x1,%eax

...
// iconst_0对应的汇编代码
xor    %eax,%eax

汇编指令足够简单,最后将值存储到了%eax中,所以也就是栈顶缓存的出口状态为itos。

上图中绿色的部分是表达式栈,而紫色的部分是本地变量表,由于本地变量表的大小为2,所以我画了2个slot。

执行下一个字节码指令istore_1,所以也会执行字节码分派相关的逻辑。这里需要提醒下,其实之前在介绍字节码指令对应的汇编时,只关注去介绍了字节码指令本身的执行逻辑,其实在为每个字节码指令生成机器指令时,一般都会为这些字节码指令生成3部分机器指令片段:

(1)不同栈顶状态对应的入口执行逻辑;

(2)字节码指令本身需要执行的逻辑;

(3)分派到下一个字节码指令的逻辑。

对于字节码指令模板定义中,如果flags中指令有disp,那么这些指令自己会含有分派的逻辑,如goto、ireturn、tableswitch、lookupswitch、jsr等。由于我们的指令是iconst_0,所以会为这个字节码指令生成分派逻辑,这些生成的逻辑如下:

movzbl 0x1(%r13),%ebx    // %ebx中存储的是字节码的操作码
 
movabs itos对应的一维数组的首地址,%r10

jmpq *(%r10,%rbx,8)

我们注意到了,如果要让%ebx中存储istore_1的Opcode,则%r13需要加上iconst_0指令的长度,即1。由于iconst_0执行后的出口栈顶缓存为itos,所以要找到入口状态为itos,而Opcode为istore_1的机器指令片段执行。如下图所示。

mov    %eax,-0x8(%r14)

代码将栈顶的值%eax存储到本地变量表下标索引为1的位置处。通过%r14很容易定位到本地变量表的位置,执行完成后的栈状态如下图所示。

执行iconst_0和istore_1时,整个过程没有向表达式栈(上图中sp/rsp开始以下的部分就是表达式栈)中压入0,实际上如果没有栈顶缓存的优化,应该将0压入栈顶,然后弹出栈顶存储到局部变量表,但是有了栈顶缓存后,没有压栈操作,也就有弹栈操作,所以能极大的提高程序的执行效率。

return指令判断的逻辑比较多,主要是因为有些方法可能有synchronized关键字,所以会在方法栈中保存锁相关的信息,而在return返回时,退栈要释放锁。不过我们现在只看针对本实例要运行的部分代码,如下:

// 将JavaThread::do_not_unlock_if_synchronized属性存储到%dl中
0x00007fffe101b770: mov    0x2ad(%r15),%dl
// 重置JavaThread::do_not_unlock_if_synchronized属性值为false
0x00007fffe101b777: movb   $0x0,0x2ad(%r15)

// 将Method*加载到%rbx中
0x00007fffe101b77f: mov    -0x18(%rbp),%rbx
// 将Method::_access_flags加载到%ecx中
0x00007fffe101b783: mov    0x28(%rbx),%ecx
// 检查Method::flags是否包含JVM_ACC_SYNCHRONIZED
0x00007fffe101b786: test   $0x20,%ecx
// 如果方法不是同步方法,跳转到----unlocked----
0x00007fffe101b78c: je     0x00007fffe101b970

main()方法为非同步方法,所以跳转到unlocked,在unlocked逻辑中会执行一些释放锁的逻辑,对于我们本实例来说这不重要,我们直接看退栈的操作,如下:

// 将-0x8(%rbp)处保存的old stack pointer(saved rsp)取出来放到%rbx中
0x00007fffe101bac7: mov    -0x8(%rbp),%rbx

// 移除栈帧
// leave指令相当于:
//     mov %rbp, %rsp
//     pop %rbp
0x00007fffe101bacb: leaveq 
// 将返回地址弹出到%r13中
0x00007fffe101bacc: pop    %r13
// 设置%rsp为调用者的栈顶值
0x00007fffe101bace: mov    %rbx,%rsp
0x00007fffe101bad1: jmpq   *%r13

这个汇编不难,这里不再继续介绍。退栈后的栈状态如下图所示。

这就完全回到了调用Java方法之前的栈状态,接下来如何退出如上栈帧并结束方法调用就是C++语言的事儿了。 

推荐阅读:

第1篇-关于JVM运行时,开篇说的简单些

第2篇-JVM虚拟机这样来调用Java主类的main()方法

第3篇-CallStub新栈帧的创建

第4篇-JVM终于开始调用Java主类的main()方法啦

第5篇-调用Java方法后弹出栈帧及处理返回结果

第6篇-Java方法新栈帧的创建

第7篇-为Java方法创建栈帧

第8篇-dispatch_next()函数分派字节码

第9篇-字节码指令的定义

第10篇-初始化模板表

第11篇-认识Stub与StubQueue

第12篇-认识CodeletMark

第13篇-通过InterpreterCodelet存储机器指令片段

第14篇-生成重要的例程

第15章-解释器及解释器生成器

第16章-虚拟机中的汇编器

第17章-x86-64寄存器

第18章-x86指令集之常用指令

第19篇-加载与存储指令(1)

第20篇-加载与存储指令之ldc与_fast_aldc指令(2)

第21篇-加载与存储指令之iload、_fast_iload等(3)

第22篇-虚拟机字节码之运算指令

第23篇-虚拟机字节码指令之类型转换

第24篇-虚拟机对象操作指令之getstatic

第25篇-虚拟机对象操作指令之getfield

第26篇-虚拟机对象操作指令之putstatic

第27篇-虚拟机字节码指令之操作数栈管理指令

第28篇-虚拟机字节码指令之控制转移指令

第29篇-调用Java主类的main()方法

 

 

  

 

 

 

 

 

  

 

  

 

posted on 2021-10-14 10:30  鸠摩(马智)  阅读(196)  评论(0编辑  收藏  举报

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