时间:2023-07-12 15:42:01 | 来源:网站运营
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【JVM源码解析】虚拟机解释执行Java方法(上):本文由HeapDump性能社区首席讲师鸠摩(马智)授权整理发布
源代码位置:openjdk/jdk/src/share/bin/java.c mainID = (*env)->GetStaticMethodID( env, mainClass, "main", "([Ljava/lang/String;)V");
env为JNIEnv*类型。调用JNIEnv类型中定义的GetStaticMethodID()函数获取Java主类中main()方法的方法唯一ID,调用GetStaticMethodID()函数就是调用jni_GetStaticMethodID()函数,此函数的实现如下:源代码位置:openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/jni.cpp JNI_ENTRY(jmethodID, jni_GetStaticMethodID(JNIEnv *env, jclass clazz,const char *name, const char *sig)) jmethodID ret = get_method_id(env, clazz, name, sig, true, thread); return ret;JNI_END static jmethodID get_method_id( JNIEnv *env, jclass clazz, const char *name_str, const char *sig, bool is_static, TRAPS){ const char *name_to_probe = (name_str == NULL) ? vmSymbols::object_initializer_name()->as_C_string() : name_str; TempNewSymbol name = SymbolTable::probe(name_to_probe, (int)strlen(name_to_probe)); TempNewSymbol signature = SymbolTable::probe(sig, (int)strlen(sig)); KlassHandle klass(THREAD,java_lang_Class::as_Klass(JNIHandles::resolve_non_null(clazz))); // 保证java.lang.Class类已经初始化完成 klass()->initialize(CHECK_NULL); Method* m; if ( name == vmSymbols::object_initializer_name() || 查找的是<init>方法 name == vmSymbols::class_initializer_name() ) { 查找的是<clinit>方法 // 因为要查找的是构造函数,构造函数没有继承特性,所以当前类找不到时不向父类中继续查找 if (klass->oop_is_instance()) { // find_method()函数不会向上查找 m = InstanceKlass::cast(klass())->find_method(name, signature); } else { m = NULL; } } else { // lookup_method()函数会向上查找 m = klass->lookup_method(name, signature); if (m == NULL && klass->oop_is_instance()) { m = InstanceKlass::cast(klass())->lookup_method_in_ordered_interfaces(name, signature); } } return m->jmethod_id();}
获取Java类中main()方法的jmethod_id。源代码位置:method.hpp// Get this method's jmethodID -- allocate if it doesn't existjmethodID jmethod_id() { methodHandle this_h(this); return InstanceKlass::get_jmethod_id(method_holder(), this_h);}
调用的InstanceKlass::get_jmethod_id()函数获取唯一ID,关于如何获取或生成ID的过程这里不再详细介绍,有兴趣的自行研究。mainArgs = CreateApplicationArgs(env, argv, argc); (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);
通过调用CallStaticVoidMethod()函数来调用Java主类中的main()方法。控制权转移到Java主类中的main()方法之中。调用CallStaticVoidMethod()函数就是调用jni_CallStaticVoidMethod()函数,此函数的实现如下:源代码位置:openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/jni.cpp JNI_ENTRY(void, jni_CallStaticVoidMethod(JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, ...)) va_list args; va_start(args, methodID); JavaValue jvalue(T_VOID); JNI_ArgumentPusherVaArg ap(methodID, args); jni_invoke_static(env, &jvalue, NULL, JNI_STATIC, methodID, &ap, CHECK); va_end(args);JNI_END
将传给Java方法的参数以C的可变长度参数传入后,使用JNI_ArgumentPusherVaArg实例ap是将其封装起来。JNI_ArgumentPusherVaArg类的继承体系如下: JNI_ArgumentPusherVaArg->JNI_ArgumentPusher->SignatureIterator
调用的jni_invoke_static()函数的实现如下:// 通过jni的方式调用Java静态方法static void jni_invoke_static( JNIEnv *env, JavaValue* result, jobject receiver, JNICallType call_type, jmethodID method_id, JNI_ArgumentPusher *args, TRAPS){ Method* m = Method::resolve_jmethod_id(method_id); methodHandle method(THREAD, m); ResourceMark rm(THREAD); int number_of_parameters = method->size_of_parameters(); // 这里进一步将要传给Java的参数转换为JavaCallArguments对象传下去 JavaCallArguments java_args(number_of_parameters); args->set_java_argument_object(&java_args); // Fill out(填,填写) JavaCallArguments object Fingerprinter fp = Fingerprinter(method); uint64_t x = fp.fingerprint(); args->iterate(x); // Initialize result type BasicType bt = args->get_ret_type(); result->set_type(bt); // Invoke the method. Result is returned as oop. JavaCalls::call(result, method, &java_args, CHECK); // Convert result if ( result->get_type() == T_OBJECT || result->get_type() == T_ARRAY ) { oop tmp = (oop) result->get_jobject(); jobject jobj = JNIHandles::make_local(env,tmp); result->set_jobject(jobj); }}
通过JavaCalls::call()函数来调用Java主类的main()方法。关于JavaCalls::call()函数大家应该不会陌生,这个函数是怎么建立Java栈帧以及找到Java方法入口在之前已经详细介绍过,这里不再介绍。rbx:Method*ecx:invocation counterr13: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。// 在generate_fixed_frame()方法中已经让%r13存储了bcpmovzbl 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256movabs $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。... // 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。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)
需要注意的是,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。指令片段如下: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。// 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false0x00007fffe101b777: 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_SYNCHRONIZED0x00007fffe101b786: 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处执行,在unlocked处执行的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 %rbp0x00007fffe101bacb: 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,%rsp0x00007fffe101bad1: 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。def(Bytecodes::_invokevirtual , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokevirtual , f2_byte );
生成函数为invokevirtual,传递的参数为f2_byte,也就是2,如果为2时,ConstantPoolCacheEntry::indices中取[b2,b1,original constant pool index]中的b2部分。调用的TemplateTable::invokevirtual()函数的实现如下:void TemplateTable::invokevirtual(int byte_no) { prepare_invoke(byte_no, rbx, // method or vtable index noreg, // unused itable index rcx, // recv rdx); // flags // rbx: index // rcx: receiver // rdx: flags invokevirtual_helper(rbx, rcx, rdx);}
先调用prepare_invoke()函数,后调用invokevirtual_helper()函数来生成invokevirtual字节码指令对应的汇编代码(其实是生成机器指令,然后反编译对应的汇编代码,在后面我们就直接表述为汇编代码,读者要知道)。0x00007fffe1021f90: mov %r13,-0x38(%rbp) // 将bcp保存到栈中// invokevirtual x中取出x,也就是常量池索引存储到%edx,// 其实这里已经是ConstantPoolCacheEntry的index,因为在类的连接// 阶段会对方法中特定的一些字节码指令进行重写0x00007fffe1021f94: movzwl 0x1(%r13),%edx // 将ConstantPoolCache的首地址存储到%rcx0x00007fffe1021f99: mov -0x28(%rbp),%rcx // 左移2位,因为%edx中存储的是ConstantPoolCacheEntry索引,左移2位是因为// ConstantPoolCacheEntry占用4个字0x00007fffe1021f9d: shl $0x2,%edx // 计算%rcx+%rdx*8+0x10,获取ConstantPoolCacheEntry[_indices,_f1,_f2,_flags]中的_indices// 因为ConstantPoolCache的大小为0x16字节,%rcx+0x10定位// 到第一个ConstantPoolCacheEntry的位置// %rdx*8算出来的是相对于第一个ConstantPoolCacheEntry的字节偏移0x00007fffe1021fa0: mov 0x10(%rcx,%rdx,8),%ebx // 获取ConstantPoolCacheEntry中indices[b2,b1,constant pool index]中的b20x00007fffe1021fa4: shr $0x18,%ebx // 取出indices中含有的b2,即bytecode存储到%ebx中0x00007fffe1021fa7: and $0xff,%ebx // 查看182的bytecode是否已经连接 0x00007fffe1021fad: cmp $0xb6,%ebx // 如果连接就进行跳转,跳转到resolved 0x00007fffe1021fb3: je 0x00007fffe1022052
主要查看字节码是否已经连接,如果没有连接则需要连接,如果已经进行了连接,则跳转到resolved直接执行方法调用操作。// 调用InterpreterRuntime::resolve_invoke()函数,因为指令还没有连接// 将bytecode为182的指令移动到%ebx中0x00007fffe1021fb9: mov $0xb6,%ebx // 通过调用MacroAssembler::call_VM()函数来调用// InterpreterRuntime::resolve_invoke(JavaThread* thread, Bytecodes::Code bytecode)函数// 进行方法连接0x00007fffe1021fbe: callq 0x00007fffe1021fc8 0x00007fffe1021fc3: jmpq 0x00007fffe1022046 // 跳转到----E----// 准备第2个参数,也就是bytecode0x00007fffe1021fc8: mov %rbx,%rsi 0x00007fffe1021fcb: lea 0x8(%rsp),%rax0x00007fffe1021fd0: mov %r13,-0x38(%rbp)0x00007fffe1021fd4: mov %r15,%rdi0x00007fffe1021fd7: mov %rbp,0x200(%r15)0x00007fffe1021fde: mov %rax,0x1f0(%r15)0x00007fffe1021fe5: test $0xf,%esp0x00007fffe1021feb: je 0x00007fffe10220030x00007fffe1021ff1: sub $0x8,%rsp0x00007fffe1021ff5: callq 0x00007ffff66ac5280x00007fffe1021ffa: add $0x8,%rsp0x00007fffe1021ffe: jmpq 0x00007fffe10220080x00007fffe1022003: callq 0x00007ffff66ac5280x00007fffe1022008: movabs $0x0,%r100x00007fffe1022012: mov %r10,0x1f0(%r15)0x00007fffe1022019: movabs $0x0,%r100x00007fffe1022023: mov %r10,0x200(%r15)0x00007fffe102202a: cmpq $0x0,0x8(%r15)0x00007fffe1022032: je 0x00007fffe102203d0x00007fffe1022038: jmpq 0x00007fffe10004200x00007fffe102203d: mov -0x38(%rbp),%r130x00007fffe1022041: mov -0x30(%rbp),%r140x00007fffe1022045: retq // 结束MacroAssembler::call_VM()函数的调用// **** E ****// 将invokevirtual x中的x加载到%edx中,也就是ConstantPoolCacheEntry的索引0x00007fffe1022046: movzwl 0x1(%r13),%edx // 将ConstantPoolCache的首地址存储到%rcx中 0x00007fffe102204b: mov -0x28(%rbp),%rcx // %edx中存储的是ConstantPoolCacheEntry index,转换为字偏移0x00007fffe102204f: shl $0x2,%edx
方法连接的逻辑和之前介绍的字段的连接逻辑类似,都是完善ConstantPoolCache中对应的ConstantPoolCacheEntry添加相关信息。// **** resolved ****// resolved的定义点,到这里说明invokevirtual字节码已经连接// 获取ConstantPoolCacheEntry::_f2,这个字段只对virtual有意义// 在计算时,因为ConstantPoolCacheEntry在ConstantPoolCache之后保存,// 所以ConstantPoolCache为0x10,而// _f2还要偏移0x10,这样总偏移就是0x20// ConstantPoolCacheEntry::_f2存储到%rbx0x00007fffe1022052: mov 0x20(%rcx,%rdx,8),%rbx // ConstantPoolCacheEntry::_flags存储到%edx0x00007fffe1022057: mov 0x28(%rcx,%rdx,8),%edx // 将flags移动到ecx中0x00007fffe102205b: mov %edx,%ecx // 从flags中取出参数大小 0x00007fffe102205d: and $0xff,%ecx // 获取到recv,%rcx中保存的是参数大小,最终计算参数所需要的大小为%rsp+%rcx*8-0x8,// flags中的参数大小对实例方法来说,已经包括了recv的大小// 如调用实例方法的第一个参数是this(recv)0x00007fffe1022063: mov -0x8(%rsp,%rcx,8),%rcx // recv保存到%rcx // 将flags存储到r13中0x00007fffe1022068: mov %edx,%r13d // 从flags中获取return type,也就是从_flags的高4位保存的TosState0x00007fffe102206b: shr $0x1c,%edx // 将TemplateInterpreter::invoke_return_entry地址存储到%r100x00007fffe102206e: movabs $0x7ffff73b6380,%r10 // %rdx保存的是return type,计算返回地址// 因为TemplateInterpreter::invoke_return_entry是数组,// 所以要找到对应return type的入口地址0x00007fffe1022078: mov (%r10,%rdx,8),%rdx // 向栈中压入返回地址0x00007fffe102207c: push %rdx // 还原ConstantPoolCacheEntry::_flags 0x00007fffe102207d: mov %r13d,%edx // 还原bcp0x00007fffe1022080: mov -0x38(%rbp),%r13
TemplateInterpreter::invoke_return_entry保存了一段例程的入口,这段例程在后面会详细介绍。rbx: 存储的是ConstantPoolCacheEntry::_f2属性的值rcx: 就是调用实例方法时的第一个参数thisrdx: 存储的是ConstantPoolCacheEntry::_flags属性的值
栈的状态如下图所示。// flags存储到%eax0x00007fffe1022084: mov %edx,%eax // 测试调用的方法是否为final 0x00007fffe1022086: and $0x100000,%eax // 如果不为final就直接跳转到----notFinal---- 0x00007fffe102208c: je 0x00007fffe10220c0 // 通过(%rcx)来获取receiver的值,如果%rcx为空,则会引起OS异常0x00007fffe1022092: cmp (%rcx),%rax // 省略统计相关代码部分// 设置调用者栈顶并保存0x00007fffe10220b4: lea 0x8(%rsp),%r130x00007fffe10220b9: mov %r13,-0x10(%rbp)// 跳转到Method::_from_interpretered_entry入口去执行0x00007fffe10220bd: jmpq *0x58(%rbx)
对于final方法来说,其实没有动态分派,所以也不需要通过vtable进行目标查找。调用时的栈如下图所示。// **** notFinal ****// invokevirtual指令调用的如果是非final方法,直接跳转到这里// %rcx中存储的是receiver,用oop来表示。通过oop获取Klass0x00007fffe10220c0: mov 0x8(%rcx),%eax // 调用MacroAssembler::decode_klass__not_null()函数生成下面的一个汇编代码0x00007fffe10220c3: shl $0x3,%rax // LogKlassAlignmentInBytes=0x03// 省略统计相关代码部分// %rax中存储的是recv_klass// %rbx中存储的是vtable_index,// 而0x1b8为InstanceKlass::vtable_start_offset()*wordSize+vtableEntry::method_offset_in_bytes(),// 其实就是通过动态分派找到需要调用的Method*并存储到%rbx中0x00007fffe1022169: mov 0x1b8(%rax,%rbx,8),%rbx// 设置调用者的栈顶地址并保存0x00007fffe1022171: lea 0x8(%rsp),%r130x00007fffe1022176: mov %r13,-0x10(%rbp)// 跳转到Method::_from_interpreted_entry处执行0x00007fffe102217a: jmpq *0x58(%rbx)
理解如上代码时需要知道vtable方法分派以及vtable在InstanceKlass中的布局,这在《深入剖析Java虚拟机:源码剖析与实例详解》一书中详细介绍过,这里不再介绍。 void MacroAssembler::lookup_virtual_method(Register recv_klass, RegisterOrConstant vtable_index, Register method_result) { const int base = InstanceKlass::vtable_start_offset() * wordSize; Address vtable_entry_addr( recv_klass, vtable_index, Address::times_ptr, base + vtableEntry::method_offset_in_bytes()); movptr(method_result, vtable_entry_addr);}
其中的vtable_index取的就是ConstantPoolCacheEntry::_f2属性的值。Handle receiver(thread, NULL);if (bytecode == Bytecodes::_invokevirtual || bytecode == Bytecodes::_invokeinterface) { ResourceMark rm(thread); // 调用method()函数从当前的栈帧中获取到需要执行的方法 Method* m1 = method(thread); methodHandle m (thread, m1); // 调用bci()函数从当前的栈帧中获取需要执行的方法的字节码索引 int i1 = bci(thread); Bytecode_invoke call(m, i1); // 当前需要执行的方法的签名 Symbol* signature = call.signature(); frame fm = thread->last_frame(); oop x = fm.interpreter_callee_receiver(signature); receiver = Handle(thread,x);}
当字节码为invokevirtual或invokeinterface这样的动态分派字节码时,执行如上的逻辑。获取到了receiver变量的值。接着看实现,如下:CallInfo info;constantPoolHandle pool(thread, method(thread)->constants()); { JvmtiHideSingleStepping jhss(thread); int cpcacheindex = get_index_u2_cpcache(thread, bytecode); LinkResolver::resolve_invoke(info, receiver, pool,cpcacheindex, bytecode, CHECK); ...} // 如果已经向ConstantPoolCacheEntry中更新了调用的相关信息则直接返回if (already_resolved(thread)) return;
根据存储在当前栈中的bcp来获取字节码指令的操作数,这个操作数通常就是常量池缓存项索引。然后调用LinkResolver::resolve_invoke()函数进行方法连接。 这个函数会间接调用LinkResolver::resolve_invokevirtual()函数,实现如下:void LinkResolver::resolve_invokevirtual( CallInfo& result, Handle recv, constantPoolHandle pool, int index, TRAPS){ KlassHandle resolved_klass; Symbol* method_name = NULL; Symbol* method_signature = NULL; KlassHandle current_klass; resolve_pool(resolved_klass, method_name, method_signature, current_klass, pool, index, CHECK); KlassHandle recvrKlass(THREAD, recv.is_null() ? (Klass*)NULL : recv->klass()); resolve_virtual_call(result, recv, recvrKlass, resolved_klass, method_name, method_signature, current_klass, true, true, CHECK);}
其中会调用resolve_pool()和resolve_vritual_call()函数分别连接常量池和方法调用指令。调用会涉及到的相关函数大概如下图所示。void LinkResolver::resolve_pool( KlassHandle& resolved_klass, Symbol*& method_name, Symbol*& method_signature, KlassHandle& current_klass, constantPoolHandle pool, int index, TRAPS) { resolve_klass(resolved_klass, pool, index, CHECK); method_name = pool->name_ref_at(index); method_signature = pool->signature_ref_at(index); current_klass = KlassHandle(THREAD, pool->pool_holder());}
其中的index为常量池缓存项的索引。resolved_klass参数表示需要进行解析的类(解析是在类生成周期中连接相关的部分,所以我们之前有时候会称为连接,其实具体来说是解析的意思),而current_klass为当前拥有常量池的类,由于传递参数时是C++的引用传递,所以同值会直接改变变量的值,调用者中的值也会随着改变。void LinkResolver::resolve_klass( KlassHandle& result, constantPoolHandle pool, int index, TRAPS) { Klass* result_oop = pool->klass_ref_at(index, CHECK); // 通过引用进行传递 result = KlassHandle(THREAD, result_oop);} Klass* ConstantPool::klass_ref_at(int which, TRAPS) { int x = klass_ref_index_at(which); return klass_at(x, CHECK_NULL);} int klass_ref_index_at(int which) { return impl_klass_ref_index_at(which, false);}
调用的impl_klass_ref_index_at()函数的实现如下: int ConstantPool::impl_klass_ref_index_at(int which, bool uncached) { int i = which; if (!uncached && cache() != NULL) { // 从which对应的ConstantPoolCacheEntry项中获取ConstantPoolIndex i = remap_instruction_operand_from_cache(which); } assert(tag_at(i).is_field_or_method(), "Corrupted constant pool"); // 获取 jint ref_index = *int_at_addr(i); // 获取低16位,那就是class_index return extract_low_short_from_int(ref_index);}
根据断言可知,在原常量池索引的i处的项肯定为JVM_CONSTANT_Fieldref、JVM_CONSTANT_Methodref或JVM_CONSTANT_InterfaceMethodref,这几项的格式如下:CONSTANT_Fieldref_info{ u1 tag; u2 class_index; u2 name_and_type_index; // 必须是字段描述符} CONSTANT_InterfaceMethodref_info{ u1 tag; u2 class_index; // 必须是接口 u2 name_and_type_index; // 必须是方法描述符} CONSTANT_Methodref_info{ u1 tag; u2 class_index; // 必须是类 u2 name_and_type_index; // 必须是方法描述符}
3项的格式都一样,其中的class_index索引处的项必须为CONSTANT_Class_info结构,表示一个类或接口,当前类字段或方法是这个类或接口的成员。name_and_type_index索引处必须为CONSTANT_NameAndType_info项。 Klass* klass_at(int which, TRAPS) { constantPoolHandle h_this(THREAD, this); return klass_at_impl(h_this, which, CHECK_NULL);}
调用的klass_at_impl()函数的实现如下:Klass* ConstantPool::klass_at_impl( constantPoolHandle this_oop, int which, TRAPS) { CPSlot entry = this_oop->slot_at(which); if (entry.is_resolved()) { // 已经进行了连接 return entry.get_klass(); } bool do_resolve = false; bool in_error = false; Handle mirror_handle; Symbol* name = NULL; Handle loader; { MonitorLockerEx ml(this_oop->lock()); if (this_oop->tag_at(which).is_unresolved_klass()) { if (this_oop->tag_at(which).is_unresolved_klass_in_error()) { in_error = true; } else { do_resolve = true; name = this_oop->unresolved_klass_at(which); loader = Handle(THREAD, this_oop->pool_holder()->class_loader()); } } } // unlocking constantPool // 省略当in_error变量的值为true时的处理逻辑 if (do_resolve) { oop protection_domain = this_oop->pool_holder()->protection_domain(); Handle h_prot (THREAD, protection_domain); Klass* k_oop = SystemDictionary::resolve_or_fail(name, loader, h_prot, true, THREAD); KlassHandle k; if (!HAS_PENDING_EXCEPTION) { k = KlassHandle(THREAD, k_oop); mirror_handle = Handle(THREAD, k_oop->java_mirror()); } if (HAS_PENDING_EXCEPTION) { ... return 0; } if (TraceClassResolution && !k()->oop_is_array()) { ... } else { MonitorLockerEx ml(this_oop->lock()); do_resolve = this_oop->tag_at(which).is_unresolved_klass(); if (do_resolve) { ClassLoaderData* this_key = this_oop->pool_holder()->class_loader_data(); this_key->record_dependency(k(), CHECK_NULL); // Can throw OOM this_oop->klass_at_put(which, k()); // 注意这里会更新常量池中存储的内容,这样就表示类已经解析完成,下次就不需要重复解析了 } } } entry = this_oop->resolved_klass_at(which); assert(entry.is_resolved() && entry.get_klass()->is_klass(), "must be resolved at this point"); return entry.get_klass();}
函数首先调用slot_at()函数获取常量池中一个slot中存储的值,然后通过CPSlot来表示这个slot,这个slot中可能存储的值有2个,分别为指向Symbol实例(因为类名用CONSTANT_Utf8_info项表示,在虚拟机内部统一使用Symbol对象表示字符串)的指针和指向Klass实例的指针,如果类已经解释,那么指针表示的地址的最后一位为0,如果还没有被解析,那么地址的最后一位为1。CONSTANT_NameAndType_info{ u1 tag; u2 name_index; u2 descriptor index;}
获取逻辑就是先根据常量池缓存项的索引找到原常量池项的索引,然后查找到CONSTANT_NameAndType_info后,获取到方法名称和签名的索引,进而获取到被调用的目标方法的名称和签名。这些信息将在接下来调用的resolve_virtual_call()函数中使用。void LinkResolver::resolve_virtual_call( CallInfo& result, Handle recv, KlassHandle receiver_klass, KlassHandle resolved_klass, Symbol* method_name, Symbol* method_signature, KlassHandle current_klass, bool check_access, bool check_null_and_abstract, TRAPS) { methodHandle resolved_method; linktime_resolve_virtual_method(resolved_method, resolved_klass, method_name, method_signature, current_klass, check_access, CHECK); runtime_resolve_virtual_method(result, resolved_method, resolved_klass, recv, receiver_klass, check_null_and_abstract, CHECK);}
首先调用LinkResolver::linktime_resolve_virtual_method()函数,这个函数会调用如下函数:void LinkResolver::resolve_method( methodHandle& resolved_method, KlassHandle resolved_klass, Symbol* method_name, Symbol* method_signature, KlassHandle current_klass, bool check_access, bool require_methodref, TRAPS) { // 从解析的类和其父类中查找方法 lookup_method_in_klasses(resolved_method, resolved_klass, method_name, method_signature, true, false, CHECK); // 没有在解析类的继承体系中查找到方法 if (resolved_method.is_null()) { // 从解析类实现的所有接口(包括间接实现的接口)中查找方法 lookup_method_in_interfaces(resolved_method, resolved_klass, method_name, method_signature, CHECK); // ... if (resolved_method.is_null()) { // 没有找到对应的方法 ... } } // ...}
如上函数中最主要的就是根据method_name和method_signature从resolved_klass类中找到合适的方法,如果找到就赋值给resolved_method变量。void LinkResolver::runtime_resolve_virtual_method( CallInfo& result, methodHandle resolved_method, KlassHandle resolved_klass, Handle recv, KlassHandle recv_klass, bool check_null_and_abstract, TRAPS) { int vtable_index = Method::invalid_vtable_index; methodHandle selected_method; // 当方法定义在接口中时,表示是miranda方法 if (resolved_method->method_holder()->is_interface()) { vtable_index = vtable_index_of_interface_method(resolved_klass,resolved_method); InstanceKlass* inst = InstanceKlass::cast(recv_klass()); selected_method = methodHandle(THREAD, inst->method_at_vtable(vtable_index)); } else { // 如果走如下的代码逻辑,则表示resolved_method不是miranda方法,需要动态分派且肯定有正确的vtable索引 vtable_index = resolved_method->vtable_index(); // 有些方法虽然看起来需要动态分派,但是如果这个方法有final关键字时,可进行静态绑定,所以直接调用即可 // final方法其实不会放到vtable中,除非final方法覆写了父类中的方法 if (vtable_index == Method::nonvirtual_vtable_index) { selected_method = resolved_method; } else { // 根据vtable和vtable_index以及inst进行方法的动态分派 InstanceKlass* inst = (InstanceKlass*)recv_klass(); selected_method = methodHandle(THREAD, inst->method_at_vtable(vtable_index)); } } // setup result resolve的类型为CallInfo,为CallInfo设置了连接后的相关信息 result.set_virtual(resolved_klass, recv_klass, resolved_method, selected_method, vtable_index, CHECK);}
当为miranda方法时,调用 LinkResolver::vtable_index_of_interface_method()函数查找;当为final方法时,因为final方法不可能被子类覆写,所以resolved_method就是目标调用方法;除去前面的2种情况后,剩下的方法就需要结合vtable和vtable_index进行动态分派了。switch (info.call_kind()) { case CallInfo::direct_call: // 直接调用 cache_entry(thread)->set_direct_call( bytecode, info.resolved_method()); break; case CallInfo::vtable_call: // vtable分派 cache_entry(thread)->set_vtable_call( bytecode, info.resolved_method(), info.vtable_index()); break; case CallInfo::itable_call: // itable分派 cache_entry(thread)->set_itable_call( bytecode, info.resolved_method(), info.itable_index()); break; default: ShouldNotReachHere();}
无论直接调用,还是vtable和itable动态分派,都会在方法解析完成后将相关的信息存储到常量池缓存项中。调用cache_entry()函数获取对应的ConstantPoolCacheEntry项,然后调用set_vtable_call()函数,此函数会调用如下函数更新ConstantPoolCacheEntry项中的信息,如下:void ConstantPoolCacheEntry::set_direct_or_vtable_call( Bytecodes::Code invoke_code, methodHandle method, int vtable_index) { bool is_vtable_call = (vtable_index >= 0); // FIXME: split this method on this boolean int byte_no = -1; bool change_to_virtual = false; switch (invoke_code) { case Bytecodes::_invokeinterface: change_to_virtual = true; // ... // 可以看到,通过_invokevirtual指令时,并不一定都是动态分发,也有可能是静态绑定 case Bytecodes::_invokevirtual: // 当前已经在ConstantPoolCacheEntry类中了 { if (!is_vtable_call) { assert(method->can_be_statically_bound(), ""); // set_f2_as_vfinal_method checks if is_vfinal flag is true. set_method_flags(as_TosState(method->result_type()), ( 1 << is_vfinal_shift) | ((method->is_final_method() ? 1 : 0) << is_final_shift) | ((change_to_virtual ? 1 : 0) << is_forced_virtual_shift), // 在接口中调用Object中定义的方法 method()->size_of_parameters()); set_f2_as_vfinal_method(method()); } else { // 执行这里的逻辑时,表示方法是非静态绑定的非final方法,需要动态分派,则vtable_index的值肯定大于等于0 set_method_flags(as_TosState(method->result_type()), ((change_to_virtual ? 1 : 0) << is_forced_virtual_shift), method()->size_of_parameters()); // 对于动态分发来说,ConstantPoolCacheEntry::_f2中保存的是vtable_index set_f2(vtable_index); } byte_no = 2; break; } // ... } if (byte_no == 1) { // invoke_code为非invokevirtual和非invokeinterface字节码指令 set_bytecode_1(invoke_code); } else if (byte_no == 2) { if (change_to_virtual) { if (method->is_public()) set_bytecode_1(invoke_code); } else { assert(invoke_code == Bytecodes::_invokevirtual, ""); } // set up for invokevirtual, even if linking for invokeinterface also: set_bytecode_2(Bytecodes::_invokevirtual); } }
连接完成后ConstantPoolCacheEntry中的各个项如下图所示。def(Bytecodes::_invokeinterface , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokeinterface , f1_byte );
可以看到指令的生成函数为TemplateTable::invokeinterface(),在这个函数中首先会调用TemplateTable::prepare_invoke()函数,TemplateTable::prepare_invoke()函数生成的汇编代码如下:0x00007fffe1022610: mov %r13,-0x38(%rbp)0x00007fffe1022614: movzwl 0x1(%r13),%edx0x00007fffe1022619: mov -0x28(%rbp),%rcx0x00007fffe102261d: shl $0x2,%edx// 获取ConstantPoolCacheEntry[_indices,_f1,_f2,_flags]中的_indices0x00007fffe1022620: mov 0x10(%rcx,%rdx,8),%ebx // 获取ConstantPoolCacheEntry中indices[b2,b1,constant pool index]中的b1// 如果已经连接,那这个b1应该等于185,也就是invokeinterface指令的操作码0x00007fffe1022624: shr $0x10,%ebx0x00007fffe1022627: and $0xff,%ebx0x00007fffe102262d: cmp $0xb9,%ebx// 如果invokeinterface已经连接就跳转到----resolved----0x00007fffe1022633: je 0x00007fffe10226d2
汇编代码的判断逻辑与invokevirutal一致,这里不在过多解释。// 执行如下汇编代码时,表示invokeinterface指令还没有连接,也就是ConstantPoolCacheEntry中// 还没有保存调用相关的信息 // 通过调用call_VM()函数生成如下汇编,通过这些汇编// 调用InterpreterRuntime::resolve_invoke()函数// 将bytecode存储到%ebx中0x00007fffe1022639: mov $0xb9,%ebx // 通过MacroAssembler::call_VM()来调用InterpreterRuntime::resolve_invoke()0x00007fffe102263e: callq 0x00007fffe1022648 0x00007fffe1022643: jmpq 0x00007fffe10226c60x00007fffe1022648: mov %rbx,%rsi0x00007fffe102264b: lea 0x8(%rsp),%rax0x00007fffe1022650: mov %r13,-0x38(%rbp)0x00007fffe1022654: mov %r15,%rdi0x00007fffe1022657: mov %rbp,0x200(%r15)0x00007fffe102265e: mov %rax,0x1f0(%r15)0x00007fffe1022665: test $0xf,%esp0x00007fffe102266b: je 0x00007fffe10226830x00007fffe1022671: sub $0x8,%rsp0x00007fffe1022675: callq 0x00007ffff66ae13a0x00007fffe102267a: add $0x8,%rsp0x00007fffe102267e: jmpq 0x00007fffe10226880x00007fffe1022683: callq 0x00007ffff66ae13a0x00007fffe1022688: movabs $0x0,%r100x00007fffe1022692: mov %r10,0x1f0(%r15)0x00007fffe1022699: movabs $0x0,%r100x00007fffe10226a3: mov %r10,0x200(%r15)0x00007fffe10226aa: cmpq $0x0,0x8(%r15)0x00007fffe10226b2: je 0x00007fffe10226bd0x00007fffe10226b8: jmpq 0x00007fffe10004200x00007fffe10226bd: mov -0x38(%rbp),%r130x00007fffe10226c1: mov -0x30(%rbp),%r140x00007fffe10226c5: retq // 结束MacroAssembler::call_VM()函数// 将invokeinterface x中的x加载到%edx中0x00007fffe10226c6: movzwl 0x1(%r13),%edx// 将ConstantPoolCache的首地址存储到%rcx中0x00007fffe10226cb: mov -0x28(%rbp),%rcx// %edx中存储的是ConstantPoolCacheEntry项的索引,转换为字节// 偏移,因为一个ConstantPoolCacheEntry项占用4个字0x00007fffe10226cf: shl $0x2,%edx
与invokevirtual的实现类似,这里仍然在方法没有解释时调用InterpreterRuntime::resolve_invoke()函数进行方法解析,后面我们也详细介绍一下InterpreterRuntime::resolve_invoke()函数的实现。switch (info.call_kind()) { case CallInfo::direct_call: // 直接调用 cache_entry(thread)->set_direct_call( bytecode, info.resolved_method()); break; case CallInfo::vtable_call: // vtable分派 cache_entry(thread)->set_vtable_call( bytecode, info.resolved_method(), info.vtable_index()); break; case CallInfo::itable_call: // itable分派 cache_entry(thread)->set_itable_call( bytecode, info.resolved_method(), info.itable_index()); break; default: ShouldNotReachHere();}
之前已经介绍过vtable分派,现在看一下itable分派。void ConstantPoolCacheEntry::set_itable_call( Bytecodes::Code invoke_code, methodHandle method, int index) { InstanceKlass* interf = method->method_holder(); // interf一定是接口,method一定是非final方法 set_f1(interf); // 对于itable,则_f1为InstanceKlass set_f2(index); set_method_flags(as_TosState(method->result_type()), 0, // no option bits method()->size_of_parameters()); set_bytecode_1(Bytecodes::_invokeinterface);}
ConstantPoolCacheEntry中存储的信息为:// **** resolved ****// resolved的定义点,到这里说明invokeinterface字节码已经连接 // 执行完如上汇编后寄存器的值如下:// %edx:ConstantPoolCacheEntry index// %rcx:ConstantPoolCache // 获取到ConstantPoolCacheEntry::_f1// 在计算时,因为ConstantPoolCacheEntry在ConstantPoolCache// 之后保存,所以ConstantPoolCache为0x10,而// _f1还要偏移0x8,这样总偏移就是0x180x00007fffe10226d2: mov 0x18(%rcx,%rdx,8),%rax // 获取ConstantPoolCacheEntry::_f2属性0x00007fffe10226d7: mov 0x20(%rcx,%rdx,8),%rbx// 获取ConstantPoolCacheEntry::_flags属性0x00007fffe10226dc: mov 0x28(%rcx,%rdx,8),%edx // 执行如上汇编后寄存器的值如下:// %rax:ConstantPoolCacheEntry::_f1// %rbx:ConstantPoolCacheEntry::_f2// %edx:ConstantPoolCacheEntry::_flags // 将flags移动到ecx中0x00007fffe10226e0: mov %edx,%ecx// 从ConstantPoolCacheEntry::_flags中获取参数大小0x00007fffe10226e2: and $0xff,%ecx // 让%rcx指向recv 0x00007fffe10226e8: mov -0x8(%rsp,%rcx,8),%rcx // 暂时用%r13d保存ConstantPoolCacheEntry::_flags属性0x00007fffe10226ed: mov %edx,%r13d // 从_flags的高4位保存的TosState中获取方法返回类型 0x00007fffe10226f0: shr $0x1c,%edx// 将TemplateInterpreter::invoke_return_entry地址存储到%r100x00007fffe10226f3: movabs $0x7ffff73b63e0,%r10// %rdx保存的是方法返回类型,计算返回地址// 因为TemplateInterpreter::invoke_return_entry是数组,// 所以要找到对应return type的入口地址0x00007fffe10226fd: mov (%r10,%rdx,8),%rdx// 获取结果处理函数TemplateInterpreter::invoke_return_entry的地址并压入栈中0x00007fffe1022701: push %rdx // 恢复ConstantPoolCacheEntry::_flags中%edx0x00007fffe1022702: mov %r13d,%edx // 还原bcp 0x00007fffe1022705: mov -0x38(%rbp),%r13
在TemplateTable::invokeinterface()函数中首先会调用prepare_invoke()函数,上面的汇编就是由这个函数生成的。调用完后各个寄存器的值如下:rax: interface klass (from f1)rbx: itable index (from f2)rcx: receiverrdx: flags
然后接着执行TemplateTable::invokeinterface()函数生成的汇编片段,如下:// 将ConstantPoolCacheEntry::_flags的值存储到%r14d中0x00007fffe1022709: mov %edx,%r14d// 检测一下_flags中是否含有is_forced_virtual_shift标识,如果有,// 表示调用的是Object类中的方法,需要通过vtable进行动态分派0x00007fffe102270c: and $0x800000,%r14d0x00007fffe1022713: je 0x00007fffe1022812 // 跳转到----notMethod---- // ConstantPoolCacheEntry::_flags存储到%eax0x00007fffe1022719: mov %edx,%eax// 测试调用的方法是否为final0x00007fffe102271b: and $0x100000,%eax0x00007fffe1022721: je 0x00007fffe1022755 // 如果为非final方法,则跳转到----notFinal---- // 下面汇编代码是对final方法的处理 // 对于final方法来说,rbx中存储的是Method*,也就是ConstantPoolCacheEntry::_f2指向Method*// 跳转到Method::from_interpreted处执行即可0x00007fffe1022727: cmp (%rcx),%rax// ... 省略统计相关的代码// 设置调用者栈顶并存储0x00007fffe102274e: mov %r13,-0x10(%rbp)// 跳转到Method::_from_interpreted_entry0x00007fffe1022752: jmpq *0x58(%rbx) // 调用final方法 // **** notFinal **** // 调用load_klass()函数生成如下2句汇编// 查看recv这个oop对应的Klass,存储到%eax中0x00007fffe1022755: mov 0x8(%rcx),%eax // 调用decode_klass_not_null()函数生成的汇编 0x00007fffe1022758: shl $0x3,%rax // 省略统计相关的代码 // 调用lookup_virtual_method()函数生成如下这一句汇编0x00007fffe10227fe: mov 0x1b8(%rax,%rbx,8),%rbx // 设置调用者栈顶并存储0x00007fffe1022806: lea 0x8(%rsp),%r130x00007fffe102280b: mov %r13,-0x10(%rbp) // 跳转到Method::_from_interpreted_entry0x00007fffe102280f: jmpq *0x58(%rbx)
如上汇编包含了对final和非final方法的分派逻辑。对于final方法来说,由于ConstantPoolCacheEntry::_f2中存储的就是指向被调用的Method实例,所以非常简单;对于非final方法来说,需要通过vtable实现动态分派。分派的关键一个汇编语句如下:mov 0x1b8(%rax,%rbx,8),%rbx
需要提示的是,只有少量的方法可能才会走这个逻辑进行vtable的动态分派,如调用Object类中的方法。// **** notMethod **** // 让%r14指向本地变量表0x00007fffe1022812: mov -0x30(%rbp),%r14 // %rcx中存储的是receiver,%edx中保存的是Klass0x00007fffe1022816: mov 0x8(%rcx),%edx // LogKlassAlignmentInBytes=0x03,进行对齐处理0x00007fffe1022819: shl $0x3,%rdx // 如下代码是调用如下函数生成的:__ lookup_interface_method(rdx, // inputs: rec. classrax, // inputs: interfacerbx, // inputs: itable indexrbx, // outputs: methodr13, // outputs: scan temp. regno_such_interface); // 获取vtable的起始地址 // %rdx中存储的是recv.Klass,获取Klass中// vtable_length属性的值0x00007fffe10228c1: mov 0x118(%rdx),%r13d // %rdx:recv.Klass,%r13为vtable_length,// 最后r13指向第一个itableOffsetEntry// 加一个常量0x1b8是因为vtable之前是InstanceKlass0x00007fffe10228c8: lea 0x1b8(%rdx,%r13,8),%r13 0x00007fffe10228d0: lea (%rdx,%rbx,8),%rdx // 获取itableOffsetEntry::_interface并与%rax比较,%rax中存储的是要查找的接口0x00007fffe10228d4: mov 0x0(%r13),%rbx0x00007fffe10228d8: cmp %rbx,%rax// 如果相等,则直接跳转到---- found_method ----0x00007fffe10228db: je 0x00007fffe10228f3 // **** search ****// 检测%rbx中的值是否为NULL,如果为NULL,// 那就说明receiver没有实现要查询的接口0x00007fffe10228dd: test %rbx,%rbx// 跳转到---- L_no_such_interface ----0x00007fffe10228e0: je 0x00007fffe1022a8c0x00007fffe10228e6: add $0x10,%r13 0x00007fffe10228ea: mov 0x0(%r13),%rbx0x00007fffe10228ee: cmp %rbx,%rax// 如果还是没有在itableOffsetEntry中找到接口类,// 则跳转到search继续进行查找0x00007fffe10228f1: jne 0x00007fffe10228dd // 跳转到---- search ---- // **** found_method **** // 已经找到匹配接口的itableOffsetEntry,获取// itableOffsetEntry的offset属性并存储到%r13d中0x00007fffe10228f3: mov 0x8(%r13),%r13d// 通过recv_klass进行偏移后找到此接口下声明// 的一系列方法的开始位置0x00007fffe10228f7: mov (%rdx,%r13,1),%rbx
我们需要重点关注itable的分派逻辑,首先生成了如下汇编:mov 0x118(%rdx),%r13d
%rdx中存储的是recv.Klass,获取Klass中vtable_length属性的值,有了这个值,我们就可以计算出vtable的大小,从而计算出itable的开始地址。lea 0x1b8(%rdx,%r13,8),%r13
其中的0x1b8表示的是recv.Klass首地址到vtable的距离,这样最终的%r13指向的是itable的首地址。如下图所示。lea (%rdx,%rbx,8),%rdx ...mov (%rdx,%r13,1),%rbx
当执行到如上的第2个汇编时,%r13存储的是相对于Klass实例的偏移,而%rdx在执行第1个汇编时存储的是Klass首地址,然后根据itable索引加上了相对于第1个itableMethodEntry的偏移,这样就找到了对应的itableMethodEntry。 0x00007fffe10228fb: test %rbx,%rbx// 如果本来应该存储Method*的%rbx是空,则表示没有找到// 这个方法,跳转到---- no_such_method ----0x00007fffe10228fe: je 0x00007fffe1022987 // 保存调用者的栈顶指针0x00007fffe1022904: lea 0x8(%rsp),%r13 0x00007fffe1022909: mov %r13,-0x10(%rbp)// 跳转到Method::from_interpreted指向的例程并执行0x00007fffe102290d: jmpq *0x58(%rbx) // 省略should_not_reach_here()函数生成的汇编 // **** no_such_method ****// 当没有找到方法时,会跳转到这里执行 // 弹出调用prepare_invoke()函数压入的返回地址0x00007fffe1022987: pop %rbx// 恢复让%r13指向bcp0x00007fffe1022988: mov -0x38(%rbp),%r13// 恢复让%r14指向本地变量表0x00007fffe102298c: mov -0x30(%rbp),%r14 // ... 省略通过call_VM()函数生成的汇编来调用InterpreterRuntime::throw_abstractMethodError()函数// ... 省略调用should_not_reach_here()函数生成的汇编代码 // **** no_such_interface **** // 当没有找到匹配的接口时执行的汇编代码0x00007fffe1022a8c: pop %rbx0x00007fffe1022a8d: mov -0x38(%rbp),%r130x00007fffe1022a91: mov -0x30(%rbp),%r14 // ... 省略通过call_VM()函数生成的汇编代码来调用InterpreterRuntime::throw_IncompatibleClassChangeError()函数// ... 省略调用should_not_reach_here()函数生成的汇编代码
对于一些异常的处理这里就不过多介绍了,有兴趣的可以看一下相关汇编代码的实现。 由于字数限制,《虚拟机解释执行Java方法(下)》将在下篇中释出
关键词:执行,解释,方法,虚拟