深入探讨 Java JVM 的代码执行原理

前言

　　研究 JVM 已经很长时间了，一直疏于总结，一是 JVM 本身很复杂，感觉无从下手，二是懒。所以趁最近有空，赶紧打开电脑，拿起我的 keyboard，趁懒癌没发作，赶紧记录一下这一路的心得体会。刚开始接触 JVM 的时候，感觉是非常非常非常吃力的，有点深奥，很多专业的词汇根本不懂什么意思，所以有兴趣的同学，推荐一本书，周志明写的《深入理解 Java 虚拟机》，这本是看过的写 JVM 最棒的书，而且是国人写的，介绍非常详细，第一版和第二版我都买过，如果要敲开 JVM 的大门，强烈建议磕的头破血流也要读完这本书。
　　言归正传，上面提到研究 JVM 很长一段时间了，到底多久呢？5-6 年吧，刚工作 4 年左右就开始注意到 JVM 这个东西，那时候真是一根筋，觉得要了解 java，一定要着手去研究 JVM，事实证明没有错，而且现在很多基于 JVM 平台的语言，例如 Scala、Groovy、JRudy、Jython、Clojure、Kotlin、Rhino、Ceylon 等，所以说吃 JVM 这块骨头是没错的。上一篇文章讲过 JVM 的垃圾回收机制，参考 https://blog.junxworks.cn/articles/2018/09/17/1537152072254.html，时隔整整两个月，没有写 JVM 相关的文章，觉得该提笔再战，总结一下自己对 JVM 的理解。

JVM 的内存区域划分

　　JVM 内存区域其实还是比较大的一块话题，但是我觉得有必要先了解一下，首先要清楚 JVM 内部的区域是如何划分的，都存了哪些数据，对象是怎么引用的，方法是存储在哪里的，再来说如何执行的问题。说到 JVM 内存区域划分，很多人可能会想到堆和栈。没错，堆和栈的确是比较大的两块区域，但是 JVM 有更细的划分，见下图：

　　可以看到绿色部分数据区，是线程共享的，浅蓝色部分区域是线程隔离的，也就是线程独享。
　　程序计数器区：区域不大，主要用于记录当前线程所执行的字节码的行号。多线程执行的时候是通过时间片轮转的方式来执行的，同一时间，处理器的一个核只能执行一个线程中的指令，因此为了线程切换后能恢复到正确的执行位置，开辟了这块区域，并且是线程独享。此区域是唯一一个没有 OOM 异常的区域。
　　虚拟机栈：也就是大家常说的栈，此处区域是线程私有的，生命周期与线程的生命周期相同。栈的结构，跟 JVM 的字节码执行息息相关，之前文章里面写过 JVM 内存模型（JMM），可以参考 https://blog.junxworks.cn/articles/2018/11/07/1541570451190.html 这篇文章。栈描述的是 java 方法执行的内存模型：每个方法在执行的时候都会创建一个栈帧（stack frame），栈帧是很关键的一个词，说起来可能很多人不理解，但是用过 eclipse debug 功能的都清楚，debug 的时候能看到指定线程当前所执行的方法与其局部变量，如下图：
可以看到当前线程执行的方法，选中方法过后，能查看指定的局部变量，上面只是一个可视化过后的栈帧信息，栈帧主要包含以下区域：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等。所有 java 方法的执行，都是一个栈帧在虚拟机栈中入栈和出站的过程。提示：栈帧是 JVM 方法执行的最小逻辑单元。这个下面会详细介绍。每个栈帧也会占用栈的内存空间，因此如果遇到很深的递归方法，容易抛出 StackOverflowError，因为 JVM 为每个线程分配的栈空间是有限的（参考 JVM 的-Xss 参数）。
　　本地方法栈：效果跟虚拟机栈差不多，只是本地方法栈只用于执行 native 方法，调用过 c 程序的同学可能会比较熟悉。
　　堆：这个是大家最熟悉的区域，也是刚接触 java 就了解的区域，这块区域的主要目的就是存放对象实例，所有对象的实例都是在堆上分配的内存空间，这块区域是所有线程共享的。随着 jit 编译的优化与逃逸分析技术的成熟，以后对象所在的区域分配不一定是直接在堆上，栈上分配也成为可能。堆是目前主要执行 GC 回收的区域。会如果分配对象遇到内存不够，会抛出 OOM 异常。
　　方法区：这个区域可能刚接触 java 的人不太熟悉，这块是用来存放 JVM 加载的 class 信息、static 变量、常量、jit 编译过后的代码。Java7 之前，大家叫这块区域为 PermSpace，永久代，之所以叫永久代，是因为一般不会对这块区域做内存回收，但也不是绝对，classloader 被销毁后，class 也是会被卸载回收掉的。以前这块区域是要手动设置大小，到 java8 之后，这块区域没了，改成叫 metaspace，可以动态伸缩的区域，通过监控 JVM 的 gc 回收或者是用 jstat 的 gcutil 命令可以看到，metaspace 所占空间都是 99%。
　　运行时常量池：这块其实是方法区中的一部分，主要存放字面量和符号引用。通过 javap -verbose xxx.class 命令，可以查看一个 class 编译过后的内容，里面包含了常量池信息，可以参考一下，如下图所示：

　　直接内存：java NIO 里面引入了直接内存的概念，通过 DirectByteBuffer 引用直接内存，避免了数据在内存中拷贝的问题，或者是避免影响 GC 时间，直接内存就是绕过 JVM 的堆，直接采用系统的物理内存来进行操作。直接内存如何回收？记得当初有个面试官问过我这个问题，我没有答上来。后来一查，JVM 是通过回收申请堆外内存的对象，来回收堆外内存的，内部有实现一套机制。底层是通过 Unsafe 去操作的，没有经验的同学请不要随意在生产环境中尝试。

java 对象的访问

　　上面写了一下关于 JVM 内存区域划分，其实了解这些区域是非常有必要的，下面画一张图，来了解一下线程执行的时候，是通过什么方式，来定位一个对象的方法或者属性的。如下图所示：

从上图可以看到，线程执行的时候，从局部变量表中，找到对象的引用，通过引用，找到对象的类型指针，通过类型指针，去访问方法区中的类型数据，例如加载对象的方法。

java 方法的执行

　　上面有讲到 JVM 的内存区域划分，与对象的访问，经典面试题里面有这么一道题，问“一个对象（两个属性，四个方法）实例化 100 次，现在内存中的存储状态，几个对象，几个属性，几个方法。”。如果了解 JVM 的内存结构划分以及其作用的话，这道题其实并不难。首先对象是在堆中进行分配的，实例化 100 次，那么就有 100 个对象，属性 field 和方法 method，这个是 class 类本身的东西，是存放在方法区的，跟具体的实例对象无关，所以属性依然是两个，方法依然是四个。如果是属性变成属性值呢？那么还应该区分属性是静态值还是非静态，是变量还是常量，静态值和常量都是在方法区中分配，数量跟 class 本身的数量一样，变量是在堆中分配，数量跟对象数量相关。这个是关于 JVM 内存结构划分的，那么一个对象的 method 到底是如何被调用执行的呢？上面有提到过栈帧 stack frame，一个对象的方法执行，一定是通过栈帧的方式被线程加载的，每一个方法从开始执行到返回结构，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面入栈和出栈的过程。下面这张图描述了一下栈帧的结构：

　　栈帧主要由四个部分组成，局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址，还有一些附加的信息。

局部变量表

　　这个是用来在线程栈上存储局部变量的一个 table，主要存 method 的入参以及 method 内部定义的局部变量。下面以一段简单的代码为例：

public class JunxworksTest {
	public int testMethod(int i) {
		i = i++;
		int x = i;
		++x;
		return x;
	}
}

将上面这个类编译完成后，通过 javap 命令查看其 class 类的 testMethod 方法信息：

可以看到其中的局部变量表，这个表在 class 被编译的时候就已经确定了，首先第一个 slot(全称是 variable slot，简称 slot)是 this 关键字变量，指向对象本身，现在终于明白 this 关键字是怎么实现的了吧？另外 slot1 是入参 int i，slot2 是局部变量 int x。局部变量表一共支持 8 种类型的数据，分别是 boolean、byte、char、short、int、float、reference 和 returnAddress（returnAddress 目前用的非常少，好像以前是用来做异常处理的，现在已经由异常表代替），注意，并没有原始类型 long、double，因为这两个是 64 位的，通过两个连续的 32 位 slot 组成，访问 64 位的数据也是读连续两个 slot。那么 reference 是啥？这个就是大家熟悉的对象的引用。

操作数栈

　　操作数栈是用来做指令计算的，所有计算的数据都是在这个栈上入栈-> 操作-> 出栈。这个既神秘又陌生的概念，其实很多人可能遇到过，以前看到过或者经历过一些面试的人，如果面试官要考你的基础知识，很可能问你一道题，那就是“i=i++”的题，这道题就是跟操作数栈有关的题，如果你之前了解过这块，那么能够很轻松的回答上来，下面还是通过简单的方式来了解一下操作数栈，及其作用。依然是上面这段简单的代码以及 class 类信息截图：

public class JunxworksTest {
	public int testMethod(int i) {
		i = i++;
		int x = i;
		++x;
		return x;
	}
}

我们可以看到，method 的第一段代码就是 i=i++。

i=i++ 对应的编译过后的指令，是什么呢？是 method 的 code 区前三行，如下所示：

0: iload_1
1: iinc          1, 1
4: istore_1

下面画几个图来解释一下这个问题。

iload_1,意思是将局部变量表中，slot 1 这个值压到操作数栈顶，假设入参 i 等于 1，那么这条指令将 1 写入到操作数栈顶位置。

iinc 1, 1 这条指令的意思是，将 slot 1 的这个变量加 1，即局部变量表中 slot 1 的值变成了 2。

istore_1，将操作数栈的栈顶值写入到局部变量表中 slot 1 的位置，即 slot 1 的值变成了 1。
这就是为啥最后 i 等于 1，而不是 2 的原因，指令将操作数栈顶的值回写到了 slot 1，把 2 覆盖了。
　　虚拟机的运算指令有很多种，iinc 只是局部变量自增指令，可能用来举例操作数栈的栈上计算不太合适，不过这块用这个例子有两个原因，一是这个问题比较经典，很多初学者很困扰。二是这个问题涉及的底层还是比较深，是一个好的理解操作数栈的例子。当然虚拟机的其他运算指令，这个可以单独做成一个章节来讲解，内容很多，这里不赘述。

动态链接

　　个人觉得这块不太好理解，得明白 java 对象的方法定位原理，即如何去确定该调用那个 java 对象的 method？很多人可能要说，这还不简单，看代码呗。其实这里要分清楚方法调用和方法执行，方法调用只是确定具体调用哪个方法，而方法执行是需要加载具体的方法逻辑，涉及到具体的运算过程。Java 的 class 编译是不包含方法连接的，一切方法都是只存储的符号引用，这块既带来了强大的灵活性，也带来了很大的复杂性。例如一个类的 static 方法，这个是编译时候已知的，能够通过静态解析的方式来确定调用的方法，而一些对继承的方法进行重写，或者是接口实现的方法，需要在运行时候来确定到底调用关系。像这种每次只能在运行期间才能转化为直接引用的方法引用，被称为动态链接 Dynamic Linking。

方法返回地址

　　方法调用了，但是怎么算结束呢？也就是这个方法在执行的时候，是通过什么样的机制来告诉 JVM，方法结束了。这里有两种方式，来确定一个方法是否执行完毕，第一种，就是正常退出的方式，即执行引擎遇到了任意的一个方法返回的指令，这时候方法返回值会被传递给上层调用者。第二种就是异常退出。一般情况下，方法正常（非异常）返回的时候，调用者（也是其他方法）的程序计数器的值可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器的值。方法本身的退出过程，就是栈帧的出栈过程，可能会执行恢复上层栈帧的局部变量表和操作数栈，将返回值（如果有）压入调用者的操作数栈，沿着程序计数器行数继续执行之前的指令。

经典面试题分析

　　之前遇到过关于方法返回值的面试题，也是一个很经典的题，在熟悉上面的内容后，可以很清楚的知道答案，看一下下面的代码：

	public int testMethod() {
		int i = 1;
		try {
			throw new RuntimeException();
		} catch (Exception e) {
			return i++;
		} finally {
			++i;
			return i;
		}
	}

这个方法到底返回哪个？同样，我们可以查看编译过后的类信息，看一下 JVM 的指令是怎么执行的：

可以看到，cache 异常处理中，i 自增运算过后，并没有 ireturn 指令，而是直接转向了 finally 块中，进行 i 的自增运算，最后在进行的 ireturn 指令，也就是最终结果是 3，而不是 1。ireturn 的作用就是结束方法的执行并且将操作数栈栈顶的值返回给调用者。相同的代码，我们修改一下，将 finally 块中的 return 去掉，我们再看一下：

	public int testMethod() {
		int i = 1;
		try {
			throw new RuntimeException();
		} catch (Exception e) {
			return i++;
		} finally {
			++i;
		}
	}

这个编译过后的指令为：

从上面图中看到下面一段指令：

        11: iload_1
        12: iinc          1, 1
        15: istore        4
        17: iinc          1, 1
        20: iload         4
        22: ireturn

iload_1 先加载 slot1 的 int 型数据到栈顶，iinc 局部变量表 slot 1 自增 1，istore 将栈顶值（1）写入局部变量表 slot 4，iinc 将局部变量表 slot 1 的值自增 1，iload 将局部变量表 slot 4 的值压入栈顶，ireturn 将栈顶值（1）返回给调用者。

总结

　　JVM 底层这块很复杂，东西很多，需要花很多时间去理解，总结了一下学习经验，JVM 这块知识点，如果不能理解，或者是平时工作中很少用到的，要经常回顾，如果遇到学习起来困难的地方，那么就采用死记硬背的方式，在脑子里面过一下，经常去回顾一下，以后还是会有惊喜的。本人经验有限，很多知识点不能面面俱到，很多点还是值得去学习，像 java 对象的解析这块，如何去定位一个 java 对象的方法调用，静态分派和动态分派，单分派和多分派等等，希望以后有机会可以再带来一些干货。