《Java虚拟机原理图解》4.JVM机器指令集

0. 前言

Java虚拟机和真实的计算机一样，执行的都是二进制的机器码；而我们将.java 源码编译成.class 文件，class文件便是Java虚拟机可以认识的二进制机器码，Java可以识别class文件里的信息和机器指令，进而执行这些机器指令。

那么，Java虚拟机是怎样执行这些二进制的机器码的呢?

本文将通过一个很easy的样例，带你感受一下Java虚拟机执行机器码的过程和其工作的基本原理。

读完本文，你将会了解到：

1、Java虚拟机对执行时虚拟机栈(JVM Stack) 的组织

2、方法调用过程是如何在JVM中表示的

3、JVM对一个方法运行的基本策略

4. JVM机器指令的格式

5. 机器指令的运行模式---基于操作数栈的模式

1. Java虚拟机对执行时虚拟机栈（JVM Stack）的组织

Java虚拟机在执行时会为每个线程在内存中分配了一个虚拟机栈，来表示线程的执行状态和信息。虚拟机栈中的元素称之为栈帧（JVM stack frame）,每个栈帧表示这对一个方法的调用信息。例如以下所看到的：

上述的描写叙述可能会有点抽象。为了给读者一个直观的感受。我们定义一个简单的Java类，然后执行这个执行这个类。逐步分析整个Java虚拟机的执行时信息的组织的。

2. 方法调用过程在JVM中是怎样表示的

我们将定义例如以下带有main方法的简单类org.louis.jvm.codeset.Bootstrap.java ，逐步分析该类在JVM中是怎样表示的。方法是怎样一步步执行的：

package org.louis.jvm.codeset;
/**
 * JVM 原理简单用例
 * @author louis
 *
 */
public class Bootstrap {
	
	public static void main(String[] args) {
		String name = "Louis";
		greeting(name);
	}
	
	public static void greeting(String name)
	{
		System.out.println("Hello,"+name);
	}
	
}

当我们将Bootstrap.java 编译成Bootstrap.class 并执行这段程序的时候，在JVM复杂的执行逻辑中，会有下面几步：

1. 首先JVM会先将这个Bootstrap.class 信息载入到内存中的方法区(Method Area)中。

Bootstrap.class 中包括了常量池信息，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。全部的线程共享一个方法区，从中读取方法定义和方法的指令集。

2. 接着。JVM会在Heap堆上为Bootstrap.class 创建一个Class<Bootstrap>实例用来表示Bootstrap.class 的类实例。

3. JVM開始运行main方法。这时会为main方法创建一个栈帧。以表示main方法的整个运行过程（我会在后面章节中具体展开这个过程）。

4. main方法在运行的过程之中，调用了greeting静态方法，则JVM会为greeting方法创建一个栈帧，推到虚拟机栈顶（我会在后面章节中具体展开这个过程）。

5.当greeting方法执行完毕后，则greeting方法出栈。main方法继续执行；

JVM方法调用的过程是通过栈帧来实现的，那么。方法的指令是怎样执行的呢？弄清楚这个之前。我们要先了解对于JVM而言，方法的结构是什么样的。

我们知道。class 文件时 JVM可以识别的二进制文件，当中通过特定的结构描写叙述了每一个方法的定义。

JVM在编译Bootstrap.java 的过程中。在将源码编译成二进制机器码的同一时候，会推断当中的每个方法的三个信息：

1 ). 在执行时会使用到的局部变量的数量（作用是：当JVM为方法创建栈帧的时候。在栈帧中为该方法创建一个局部变量表。来存储方法指令在运算时的局部变量值）

2 ). 其机器指令运行时所须要的最大的操作数栈的大小（当JVM为方法创建栈帧的时候。在栈帧中为方法创建一个操作数栈。保证方法内指令能够完毕工作）

3 ). 方法的參数的数量

经过编译之后。我们能够得到main方法和greeting方法的信息例如以下：

注：上述编译后的信息所有都存储在Bootstrap.class 文件里，并依照这Class文件格式的形式存储，关于Class文件格式的定义。我在前几篇文章中已经做了很详尽的介绍，假设您所有阅读了。那么相信您已经能够“读懂” class 文件了。怎样读懂class二进制文件里关于method及其对应机器码的组织。请阅读《Java虚拟机原理图解》1.5、 class文件里的方法表集合--method方法在class文件里是如何组织的。

JVM执行main方法的过程：

1.为main方法创建栈帧：

JVM解析main方法，发现其局部变量的数量为 2。操作数栈的数量为1，则会为main方法创建一个栈帧（VM Stack），并将其增加虚拟机栈中：

2. 完毕栈帧初始化：

main栈帧创建完毕后，会将栈帧push 到虚拟机栈中，如今有两步重要的事情要做：

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

初始化 PC = main方法在方法区指令的地址+0。

b). 局部变量的初始化。main方法有个入參(String[] args) ，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 。我们须要将 args 的引用值初始化到局部点亮表中；

接着JVM開始读取PC指向的机器指令。
如上图所看到的。main方法的指令序列：12 10 4c 2b b8 20 12 b1 ，通过JVM虚拟机指令集规范。能够将这个指令序列解析成下面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。表示”Louis”字符串

0x4c astore_1 操作数栈的栈顶元素出栈，将栈顶元素的值赋给index=1 的局部变量表元素上。

这里等价于：name = “Louis”.

0x2b aload_1 将局部变量表中index=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 = 18。操作数18表示指向常量池第18项，该项是main方法的符号引用：
org/louis/jvm/codeset/Bootstrap.greeting:(Ljava/lang/String;)V
当JVM运行这条语句的时候，会做下面几件事：
a).方法符号引用校验。
会校验这种方法的符号引用。依照这个符号规则在常量池中查找是否有这种方法的定义，假设找到了此方法的定义，则表示解析成功。假设是方法greeting:(Ljava/lang/String;)V没有找到，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)，并依据greeting中操作数栈的大小和局部变量的数量分别创建对应大小的操作数栈；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。当greeting运行完毕后，以便恢复PC值。更新PC的值，使下一条运行的指令地址指向greeting方法的指令開始部分。
这条语句会使当前的main方法运行暂停，使JVM进入对greeting方法的运行其中当greeting方法运行完毕后，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。 JVM会为greeting方法创建一个栈帧，用以表示对greeting方法的调用。详细栈帧信息例如以下：

详细的greeting方法的机器码表示的含义例如以下图所看到的：

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，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： #26：
// Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

bb 20 20 new #32 创建一个对象。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，并插入到栈顶

12 22 ldc #34 从执行时常量池中提取数据推入操作数栈
将“Hello” String引用拷贝到操作数栈中 #34:
// String Hello,

b7 20 24 invokespecial #36 调用超类构造方法，实例初始化方法，私有方法。
此处调用StringBuilder(String)构造方法。并将结果推到栈顶 #36:
// Method java/lang/StringBuilder."<init>":(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：“Louis”，即将Louis推到栈顶

b6 20 26 invokevirtual #38 调用超类构造方法。实例初始化方法，私有方法。
StringBuilder实例的 append(String ) 方法。表示：
"Hello,"+"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，实例初始化方法，私有方法。
调用StringBuilder实例的toString()方法，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，实例初始化方法。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对一个方法运行的基本策略

一般地，对于java方法的执行，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。一个操作数栈，用以存储方法的执行过程中的中间值存储。

因为JVM的指令是基于栈的，即大部分的指令的运行。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。一定要铭记一点：

每一个机器指令的运行。对操作数栈和局部变量的影响，充分地了解了这个机制，你就能够很顺畅地读懂class文件里的二进制机器指令了。

例如以下是栈帧信息的简化图，在分析JVM指令时，脑海中对栈帧有个清晰的认识：

4. 机器指令的格式

所谓的机器指令，就是仅仅有机器才可以认识的二进制代码。一个机器指令分为两部分组成：

注：

a). 如上图所看到的JVM虚拟机的操作码是由一个字节组成的，也就是说对于JVM虚拟机而言，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，为了方便我们识别，其分别有对应的助记符：getstatic,new,dup.... 这样方便我们理解。

5. 机器指令的运行模式---基于操作数栈的模式

对于传统的物理机而言。大部分的机器指令的设计都是寄存器的。物理机内设置若干个寄存器，用以存储机器指令执行过程中的值。寄存器的数量和支持的指令的个数决定了这个机器的处理能力。

可是Java虚拟机的设计的机制并非这种，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。全部的操作数的操作，都要遵循出栈和入栈的规则。所以在《Java虚拟机规范》中，你会发现有非常多机器指令都是关于出栈入栈的操作。

本文旨在介绍JVM虚拟机指令的执行原理，假设你想更深入地了解指令集的信息以及使用注意事项，请您阅读《Java虚拟机规范（Java Virtual Machine Specification）》关于机器指令集的具体定义。

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