浅谈 JVM 3：指令集及其执行

浅谈 JVM 3：指令集及其执行

在上一篇文章中，我们讨论了如何参考JVM规范解读Java字节码。但是，对于字节码方法字段Code中的JVM指令执行过程，我们留下了疑问。这次，我们将深入探讨JVM的指令集及其执行机制。

运行时区域

我们先来看一下JVM的逻辑区域划分。在JVM中，主要划分为5个区域：

• 方法区：存储类的结构信息，包括运行时常量池、字段和方法数据、类和接口的继承关系等。
• Java堆：用于存放对象实例，是所有线程共享的内存区域。
• 程序计数器：每个线程都有一个独立的程序计数器，用于记录当前线程执行的字节码指令的位置。
• Java栈：每个线程都有一个私有的Java栈，用于存储栈帧。栈帧包含局部变量表、操作数栈、动态连接和返回值等信息。
• 本地方法栈：与Java栈类似，但用于支持本地方法（即用C++等语言编写的native方法）的执行。

在执行字节码前，虚拟机需要先将.class文件加载进来。相关类的信息会存放在方法区中。Code字段的信息就会放在此区域，后续配合Java方法栈执行。

当我们通过new Object()或反射等方式创建对象时，JVM会在Java堆中为对象分配内存。方法区和Java堆为线程公有内存区域，所以当我们多线程访问同一个对象时，需要进行加锁操作，来处理线程并发处理数据所引发的问题。锁操作的实现，也和指令集相关。

其他三个区域（程序计数器、Java栈、本地方法栈）均为线程私有区域。

程序计数器

程序计数器保存当前线程中，当前执行的字节码指令位置。

Java方法栈

Java方法栈为栈型数据结构，具有后进先出的特性。其组成元素为栈帧。每当执行一个方法时，会根据该方法对应的Code属性生成对应栈帧，压入到栈中。方法执行完毕时，栈帧出栈。当前正在执行的方法处在栈顶的位置。

本地方法栈

本地方法栈和Java方法栈类似，不过它处理的是C++编写的native方法。

栈帧结构

每个栈帧包括局部变量表、操作数栈、动态连接、返回值等内容。动态连接为指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，目的是为支持方法调用的动态连接。动态连接是Java支持动态特性的关键所在，此部分我们之后专门花篇幅介绍，此处先浅尝辄止。返回值则代表当前方法计算结果，返回给上一级调用方法。

局部变量表

局部变量表用于存放方法参数和内部定义的局部变量。在字节码中方法的Code属性定义了max_locals属性表示局部变量表的最大容量。局部变量表以变量槽为单位存储数据。其实际占用内存空间大小虚拟机规范并未规定，可由虚拟机各自实现。只要求一个变量槽可存储下boolean、byte、char、short、int、float等类型数据。所以对于double、long类型数据会占用两个变量槽的空间。boolean在此被使用0、1存储。由此可以看出，JVM中的类型和Java代码中的类型并不一致。

操作数栈

操作数栈也是一个后进先出栈，其最大深度同样在Code中有所体现。这块区域供字节码指令调用时使用，保存指令调用所需参数和结果。

运行时栈帧结构和指令集

对于JVM指令集，可以参考官方文档。在此，我们结合一段简单代码，了解一下常见指令集。

Java代码如下：

private int getThisIsInt() {
    int a = 2;
    return mThisIsInt * a;
}

编译后字节码如下：

0 iconst_2
1 istore_1
2 aload_0
3 getfield #7 <Demo.mThisIsInt : I>
6 iload_1
7 imul
8 ireturn

• iconst_2：将int类型常量2压栈到操作数栈中
• istore_1：将操作数栈的int值出栈，放入局部变量表槽位1的地方
• aload_0：加载局部变量表槽位0处的引用到操作数栈中，此处为当前对象的引用objectref
• getfield #7：获取当前类的运行时常量池#7变量，此指令执行完后，objectref出栈，获取到的值入栈
• iload_1：从局部变量表槽位1处加载值到操作数栈中
• imul：将操作数栈中靠近栈顶的两个值出栈，做乘法，将结果压栈
• ireturn：将当前方法操作数栈中的值出栈，并压栈到调用者方法的操作数栈中

可对照下图梳理指令执行时，局部变量表和操作数栈的变化情况。

JVM指令集较多，限于篇幅无法一一介绍。但其遵循一定规律，如下：

• Tload_X：将局部变量表数据加载到操作数栈中，T为类型，如iload为加载int类型，fload加载float类型。X为局部变量表槽位索引
• Tstore_X：将操作数栈数据出栈，存入局部变量表。T、X和上文含义一致
• Tconst_X：将T类型常量X压入操作数栈
• Tmul：将操作数栈的两个T类型常量相乘，结果放入操作数栈。类似的有除法Tdiv、加法Tadd等
• i2b：int类型转换为byte数据，类似指令有i2c、f2i等
• new：对象创建指令
• ifeq：分支控制指令，类似指令有iflt、ifnull、goto等
• invokevirtual：方法调用指令，类似指令有invokespecial、invokestatic等
• monitorenter：同步指令，有加锁操作时会添加此指令，对应monitorexit代表退出同步

更加详细的指令介绍，请参考官方文档。

总结

本次我们了解了JVM运行时区域划分，指令集运行时所依赖的局部变量表和操作数栈等结构，和指令集的类型和操作影响。

指令集中包含了锁操作对应的monitorenter、monitorexit指令，和方法调用对应的invokevirtual等指令。这些指令和JVM实现线程安全和方法的动态连接密切关联。线程安全在我们日常开发中至关重要。方法的继承和重写又是面向对象语言的重要特征。所以，在JVM层面，这些都是如何实现的呢？我们下次有时间再聊。