JVM虛擬機棧——JAVA方法的消亡史

引子

這是由一個“無聊”的問題引發(fā)的故事：方法ipp和ppi分別會打印什么結(jié)果？

public class Opcode {	public static void main(String[] args) {
		System.out.println("hello wang ni ma");
	}	public void ipp(){		int i = 0;
		i = i++;
		System.out.println(i);
	}	public void ppi(){		int i = 0;
		i = ++i;
		System.out.println(i);
	}
}

當(dāng)然了，把兩個方法放在一起，憑借些許的邏輯思維分析，可以很快給出答案： 0 1

那JVM為什么會執(zhí)行出這樣的結(jié)果呢，本文將結(jié)合 字節(jié)碼 和 虛擬機棧 做出解釋。

番外

javap 反匯編器

    javap是JDK自帶的反匯編器，可以查看java編譯器為我們生成的字節(jié)碼。通過它，我們可以對照源代碼和字節(jié)碼，從而了解很多編譯器內(nèi)部的工作。

java字節(jié)碼指令集

    Java 程序編譯之后就變成了一條條字節(jié)碼指令，其形式類似匯編，但和匯編有不同之處：

•     匯編指令的操作數(shù)存放在數(shù)據(jù)段和寄存器中，可通過存儲器或寄存器尋址找到需要的操作數(shù)；

•     Java 字節(jié)碼指令的操作數(shù)存放在操作數(shù)棧中（可以理解為JVM內(nèi)部虛擬寄存器），當(dāng)執(zhí)行某條帶 n 個操作數(shù)的指令時，就從棧頂取 n 個操作數(shù)，然后把指令的計算結(jié)果（如果有的話）入棧。

    由于操作數(shù)棧是內(nèi)存空間，所以字節(jié)碼指令不必擔(dān)心不同機器上寄存器以及機器指令的差別，從而做到了平臺無關(guān)。

    Java虛擬機的指令由一個字節(jié)長度的、代表著某種特定操作含義的操作碼（Opcode）以及跟隨其后的零至多個代表此操作所需參數(shù)的操作數(shù)（Operands）所構(gòu)成。

    列舉本文用到的基本指令：

• 加載和存儲指令

        將一個局部變量加載到操作棧：iload_<n>

        將一個數(shù)值從操作數(shù)棧存儲到局部變量表：istore_<n>

        將一個常量加載到操作數(shù)棧：iconst_<i>

• 運算指令 (運算之后的結(jié)果會自動入棧) 

        局部變量自增指令：iinc

    對于大部分與數(shù)據(jù)類型相關(guān)的字節(jié)碼指令，他們的操作碼助記符中都有特殊的字符來表明專門為哪種數(shù)據(jù)類型服務(wù)：

• i -- int

• l -- long

• s -- short

• b -- byte

• c -- char

• f -- float

• d -- double

• a -- reference

 正題

    我們用javac編譯上面的Opcode.java，然后“javap -c”查看字節(jié)碼：

    javap命令加入“-v”可以看到更詳細的信息（常量池） ：

虛擬機棧圖解

在看圖之前我們先了解幾個概念：

• Java虛擬機（JVM）是基于棧結(jié)構(gòu)的，其中的“?！敝傅木褪遣僮鲾?shù)棧。

• 在代碼的實際運行中，每個線程都會創(chuàng)建一個JVM棧存儲棧幀（frame）。每當(dāng)有方法調(diào)用時，frame就會被創(chuàng)建；當(dāng)這個方法返回時，frame出棧。

• 一個frame由三部分組成：操作數(shù)棧（Oprand Stack）、局部變量表（Local Variable Table）、當(dāng)前方法所在類的運行常量池的引用（The Reference of Constant Pool）。

• 局部變量表，存儲的是方法的參數(shù)和局部變量的值。存儲參數(shù)的索引從0開始，如果是構(gòu)造方法或者實例化方法的frame，那么局部變量數(shù)組的“0”處存儲的是“this”引用，然后再從“1”開始存儲形參和局部變量；如果是靜態(tài)方法的frame，局部變量表不會存儲“this”引用，而是從“0”開始存儲形參和局部變量。

• 操作數(shù)棧，臨時存儲參與運算的數(shù)值，然后進行相關(guān)操作。和局部變量表一樣，操作數(shù)棧也是一個以字長為單位的數(shù)組。但是和前者不同的是，它不是通過索引來訪問，而是通過標(biāo)準的棧操作壓棧/出棧來訪問的。

• 常量池，存儲在JVM內(nèi)存線程共享區(qū)的“方法區(qū)”，在類初始化的時候，會為給出的常量分配一個常量池，并且為每一個常量給出引用。

ipp()

    把常量“0”加載到操作數(shù)棧，指令“iconst_0”中的“0”代表int常量“0”

        操作數(shù)棧：[0]

        局部變量表：[this]

“i = i++;”進行了四次操作：

    1 “istore_1”將操作數(shù)棧中棧頂?shù)膇nt壓入局部變量表“1”的位置

        操作數(shù)棧：[]

        局部變量表：[this， 0]

    2 “iload_1”將局部變量表“1”處的int加載到操作數(shù)棧

        操作數(shù)棧：[0]

        局部變量表：[this， 0]

    3 “iinc  1, 1”將局部變量表“1”處的int做自增運算，結(jié)果自動入棧

        操作數(shù)棧：[0]

        局部變量表：[this， 1]

    4 “istore_1”將操作數(shù)?！?”處的int壓入局部變量表

        操作數(shù)棧：[]

        局部變量表：[this， 0]

“System.out.println(i);”進行了三次操作：

    1 “getstatic    #2”指向常量池中的第2個位置，載入“System.out”域

    2 “iload_1”將局部變量表“1”處的int加載到操作數(shù)棧

        操作數(shù)棧：[0]

        局部變量表：[this， 0]

    3 “invokevirtul    #5”指向常量池中的第5個位置，”調(diào)用實例方法“println”打印操作數(shù)棧的數(shù)值“0”

至此，ipp()方法的分析完成了，理解之后，反觀ppi()方法的字節(jié)碼信息，有一處不同：

    相當(dāng)于“i = i++”操作是先加載了局部變量表中的“0”到操作數(shù)棧，然后在局部變量表中做自增運算；而“i = ++i”是先在局部變量表中做自增運算，此時的值已經(jīng)變成“1”，然后再把局部變量表中的“1”加載到操作數(shù)棧。這也就印證了坊間流傳的“i++是先賦值后運算，++i是先運算后賦值”這一說法。