内存如何记录方法调用和返回过程

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通过语音和动画,能够更加直观的看到,内存记录方法调用和返回过程。

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我们在写代码的时候有没有思考过 方法如何调用方法执行完之后如何返回内存如何记录方法调用过程 。而这也是今天这篇文章重点内容。

方法调用和返回过程涉及到了,虚拟机栈、程序计数器、局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接等等内容,涉及到知识点很多,同时这些内容也是高频面试题,所以我将拆分成多篇文章,针对每个知识点去做详细的分析。而今天这篇文章我们重点去看内存是如何记录方法调用和返回过程。

虚拟机栈

Java 方法以栈帧的形式,运行在虚拟机栈(Java 栈)中,栈是线程私有的,程序启动的时候,会创建一个 main 线程,操作系统会为每一个线程分配一段内存,线程创建的时候会创建一个虚拟机栈,虚拟机栈的生命周期和线程一样,线程结束了,虚拟机栈也销毁了。

每个 Java 方法,对应一个个栈帧,所以方法开始和结束,都是一个个栈帧入栈和出栈的过程,效果如下图所示。

栈帧

每个 Java 方法,都是一个个栈帧,每个栈帧包括了:局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接、附加信息。

  • 局部变量表: 保存方法参数列表和方法内的局部变量,按照声明的顺序存储,它以数组的形式展示,如果是实例方法,索引为 0 是 this 的引用,如下图所示。

索引(Slot)名字(Name)
0this
1num
2res
  • 操作数栈: 保存方法执行过程中的临时结果
  • 返回地址: 保存调用该方法的 pc 寄存器的值(即 JVM 指令地址),用于方法结束时,返回调用处,让调用者方法继续执行下去
  • 动态链接: 指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用,即从常量池中找到目标方法的符号引用,然后转换为直接引用
  • 附加信息:比如程序 debug 时添加的一些附件信息(不重要,不需要关心,可忽略)

这里只需要知道它们的作用即可,它们的数据结构、字节码的含义、执行过程等等,后续的文章我将会针对每个知识点去做详细的分析。

方法调用过程

先写一段方法调用的代码,首先会调用 main() 方法之后调用 fun1() 然后调用 fun2() ,如下图所示。

现在我们来演示一下 Java 虚拟机执行这些 JVM 指令的过程,首先会调用 main () 方法。

main () 方法

main() 方法执行流程动画效果如下所示。

  1. 执行指令 0: aload_0,从局部变量表中,读取索引为 0 的值,压入操作数栈中,因为是实例方法,所以索引为 0 的值是 this 的引用

  1. 执行指令 1: iconst_5,将常量 5 压入操作数栈中

  1. 执行指令 2: invokevirtual #7,常量 5 和 this 从操作数栈中出栈,然后调用 this.fun1(5)

首先从常量池中找到方法 fun1() 的符号引用,然后通过动态链接将符号引用转换成直接引用,之后调用 this.fun1(5),将方法 fun1() 作为栈帧压入虚拟机栈中,跳转到 fun1(),继续往下执行。

如何从常量池中找到目标方法的符号引用,然后转换成直接引用的过程,将会在后面系列文章中详细分析

在调用 fun1() 之前,fun1() 的局部变量表和方法返回地址已经确定好了。

进入方法 fun1 (int num)

方法 fun1(int num) 执行流程动画效果如下所示。

  1. 执行指令 0: aload_0,从局部变量表中,读取索引为 0 的值,压入操作数栈中。因为是实例方法,所以索引为 0 的值是 this 的引用

  1. 执行指令 1: iload_1,从局部变量表中,读取索引为 1 变量 num 的值,并压入操作数栈

  1. 执行指令 2: invokevirtual #13,num 和 this 从操作数栈中出栈,然后调用 this.fun2(num)

首先从常量池中找到方法 fun2() 的符号引用,然后通过动态链接将符号引用转换成直接引用,之后调用 this.fun2(num),将方法 fun2() 作为栈帧压入虚拟机栈中,跳转到 fun2(),继续往下执行,调用 fun2() 之前,fun2() 的局部变量表和方法返回地址已经确定好了。

进入方法 fun2 (int num)

方法 fun2(int num) 执行流程动画效果如下所示。

  1. 执行指令 0: iload_1,从局部变量表中,读取索引为 1 变量 num 的值,并压入操作数栈中

  1. 执行指令 1: bipush ,将常量 10 压入操作数栈中

  1. 执行指令 3: iadd ,num 和常量 10 从操作数栈中出栈,然后进行相加,将结果压入操作数栈中

  1. 执行指令 4: istore_2,从操作数栈中取出结果,并赋值给局部变量表中索引为 2 的变量 res2

  1. 执行指令 5: iload_2,从局部变量表中,读取索引为 2 的变量 res2 的值,并压入操作数栈中

方法退出过程

每个方法即是一个栈帧,每个栈帧会保存方法返回地址,执行 return 系列指令时,会根据当前栈帧保存的返回地址,返回到调用的位置,继续往下执行。因此会分为两种情况。

异常退出

如果出现了异常且捕获了该异常,则会从异常表里查找 PC 寄存器的地址(JVM 指令地址),返回调用处继续执行。

正常退出时会做以下件事

  • 恢复上一个栈帧局部变量表、操作数栈
  • 如果有返回值,将返回值压入调用者栈帧的操作数栈,是否有返回值根据 return JVM 指令:
    • ireturn :返回值是 booleanbytecharshortint 类型
    • lreturn :返回值是 Long 类型
    • freturn :返回值是 Float 类型
    • dreturn :返回值是 Double 类型
    • areturn :返回值是引用类型
    • return :返回值类型为 void
  • 设置调用者栈帧的 JVM 指令地址
  • 当前栈帧从虚拟机栈中出栈

这篇文章我们只分析正常退出流程,异常退出和正常退出的流程大致都是一样的。正常退出流程动画效果如下所示。

  1. 方法 fun2 结束时,执行最后一条指令 ireturn ,当前栈帧从虚拟机栈中出栈,根据当前栈帧保存的方法返回地址,返回到 fun1 ,恢复 fun1 的局部变量表、操作数栈,将返回结果 res2 保存到调用者(fun1)操作数栈中

  1. 回到方法 fun1(int num) ,执行指令 5: istore_2,变量 res2 从操作数中出栈,赋值给局部变量表中索引为 2 的变量 res1

  1. 执行指令 6: iload_2 ,从局部变量表中,读取索引为 2 变量 res1 的值,并压入操作数栈中

  1. 执行方法 fun1 最后一条指令 7: ireturn,当前栈帧从虚拟机栈中出栈,根据当前栈帧保存的方法返回地址,返回到 main 方法,恢复 main 方法的局部变量表、操作数栈,将返回结果 res2 保存到调用者(main)操作数栈中

  1. 最后回到方法 main 中,执行最后一条指令 5: pop,操作数栈中的元素出栈

  1. 执行最后一条指令 6: return,至此所有的方法调用结束了,方法所占用的内存,也将返回给系统

每次的方法调用,即是栈帧入栈和出栈的过程,同时也需要占用部分内存,用于保存局部变量表、操作数栈、方法返回地址、动态链接、附加信息等等。

当方法执行完,即栈帧出栈,方法调用所占用的内存,也将返回给系统。

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全文到这里就结束了,感谢你的阅读,如果有帮助,欢迎 在看点赞收藏分享 给身边的朋友。

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作者:DHL

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