JVM源码剖析之JVM层面调用Java方法

news2024/9/22 7:37:24

先看以下2个案例。

Runnable runnable  = () -> {
    System.out.println(1);
};
new Thread(runnable).start();

为什么调用Thread的start方法就能执行Runnable的代码?

public static void main(String[] args) {
    System.out.println(1);
}

作为Java开发者,一定明白main方法是作为Java程序的入口。那么,为什么是main方法?那main方法是如何被调用执行的?

此篇文章借用2个很简单的案例,带读者明白JVM层面是如何调用Java方法。

源码分析:

版本信息如下:

jdk版本:jdk8u40
为了源码的简单,使用字节码解释器:C++解释器

我们不妨借用上文的2个案例来推理一下:

  1. 方法是属于类
  2. 在Hotspot中使用 Klass/Oop(C++类)二分模型表示类和对象。
  3. 类加载步骤大致分为:加载.class文件,根据jvm规范手册解析.class文件中的常量池(ConstantPool)、方法(Method)、变量(Field)等等(详情请看JVM手册第4章)最终生成Klass类装载以上解析后的数据
  4. 根据以上3点,我们能明白方法是在类解析的过程中就生成好了,并且存放在Klass中,也就是存放在类中。
  5. Java方法经过 javac 编译后生成.class文件的表示无非就是一条条的字节码指令。

所以,我们不妨大胆猜测,JVM层面调用Java方法无非就是调用类中对应的方法,而方法的表示就是一条条字节码指令(只考虑解释器模式)

既然猜测了,那么接下来就是源码论证环节。

源码选自JVM启动流程中调用Java层面main方法的部分源码细节。/src/share/bin/java.c文件

int JNICALL
JavaMain(void * _args)
{

    …………

    // 得到启动类。
    mainClass = LoadMainClass(env, mode, what);


    // 得到启动类中main方法签名。
    mainID = (*env)->GetStaticMethodID(env, mainClass, "main",
                                       "([Ljava/lang/String;)V");

    // 执行
    (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs);

    // 尝试结束JVM进程。
    LEAVE();

}

我们并不关心如何得到启动类,如何得到main方法的签名,我们只关心如何执行main方法。所以接着看CallStaticVoidMethod的实现。

JNI_ENTRY(void, jni_CallStaticVoidMethod(JNIEnv *env, jclass cls, jmethodID methodID, ...))

  ………… 

  JavaValue jvalue(T_VOID);     // JavaValue表示Java层面的值,而这里是作为返回值类型 
  JNI_ArgumentPusherVaArg ap(methodID, args);       // 包装参数
  jni_invoke_static(env, &jvalue, NULL, JNI_STATIC, methodID, &ap, CHECK);

JNI_END


static void jni_invoke_static(JNIEnv *env, JavaValue* result, jobject receiver, JNICallType call_type, jmethodID method_id, JNI_ArgumentPusher *args, TRAPS) {
  
  …………

  // 通过方法签名得到Method(c++类表示方法)
  methodHandle method(THREAD, Method::resolve_jmethod_id(method_id));
  // 得到方法参数的个数
  int number_of_parameters = method->size_of_parameters();
  // 参数包装器
  JavaCallArguments java_args(number_of_parameters);
  // 调用方法
  JavaCalls::call(result, method, &java_args, CHECK);
}

这一步很清楚的可以看到拿到Method对象(因为Hotspot是C++实现,所以也存在对象),而Method对象表示一个Java方法。是不是感觉离真相越来越近了~

继续看到JavaCalls::call方法

void JavaCalls::call(JavaValue* result, methodHandle method, JavaCallArguments* args, TRAPS) {

  assert(THREAD->is_Java_thread(), "only JavaThreads can make JavaCalls");
  // 执行的包装,实际上就是调用call_helper方法。
  os::os_exception_wrapper(call_helper, result, &method, args, THREAD);
}

void JavaCalls::call_helper(JavaValue* result, methodHandle* m, JavaCallArguments* args, TRAPS) {
  
  …………  省略很多断言判断

  // 拿到解释器的执行入口
  // 而解释器的执行入口,是在JVM启动的流程中做了初始化,与当前内容关联不大,所以暂时省略
  // 我们清楚,字节码指令仅仅是JVM抽象的指令集。
  // 而不是CPU能够执行的ISA指令集
  // 所以这里需要包装一个解释器的执行入口,然后去执行方法对应的字节码指令
  address entry_point = method->from_interpreted_entry();

  …………  省略很多断言判断

  // do call
  { JavaCallWrapper link(method, receiver, result, CHECK);
    { HandleMark hm(thread);  // HandleMark used by HandleMarkCleaner

      // 这里很多人看不懂
      // 其实,这里是一个函数指针的回调。
      // StubRoutines::call_stub() 拿到具体的函数地址。
      // 意义在于,统一入口,再根据entry_point做分发。
      StubRoutines::call_stub()(
        (address)&link,
        result_val_address,          
        result_type,
        method(),
        entry_point,
        args->parameters(),
        args->size_of_parameters(),
        CHECK
      );

      // 拿到返回值。
      result = link.result();  
      // 返回值放入到线程变量中(线程安全,方便赋值,方便获取)
      if (oop_result_flag) {
        thread->set_vm_result((oop) result->get_jobject());
      }
    }
  } 

}

这段代码比较重要,所以对这里做一个总结:

  1. 从Method对象中获取到解释器的入口地址。解释器的入口地址是JVM启动的过程中放入的,与当前的流程关联不大,所以不在此赘述。
  2. StubRoutines::call_stub() 这个方法会拿到一个Calls to Java 的函数地址,这里实际上就是在回调函数,而函数是在JVM启动时根据底层平台已经确定好的。很多读者可能看不懂这个写法,更不懂意义在何处。其实,很简单,就是统一入口,屏蔽底层不同平台的实现。

所以看StubRoutines::call_stub()得到的具体函数实现。

static void call_stub(
    JavaCallWrapper *call_wrapper,
    intptr_t*        result,
    BasicType        result_type,
    Method*          method,
    address          entry_point,
    intptr_t*        parameters,
    int              parameter_words,
    TRAPS) {

    EntryFrame *frame =
      EntryFrame::build(parameters, parameter_words, call_wrapper, THREAD);

    if (!HAS_PENDING_EXCEPTION) {
      // 开辟此时方法的栈
      thread->push_zero_frame(frame);

      // 调用方法
      // 内部会调用entry_point,最终就是执行字节码
      Interpreter::invoke_method(method, entry_point, THREAD);

      // 出栈
      thread->pop_zero_frame();
    }
}

// 因为这里存在多次方法的回调,所以为了篇幅的简单,省略一部分过程,直接看到最终的字节码执行方法
// Interpreter::invoke_method方法,最终会回调此方法执行方法的字节码指令集
int CppInterpreter::normal_entry(Method* method, intptr_t UNUSED, TRAPS) {
  JavaThread *thread = (JavaThread *) THREAD;

  // Allocate and initialize our frame.
  InterpreterFrame *frame = InterpreterFrame::build(method, CHECK_0);
  thread->push_zero_frame(frame);

  // 循环执行方法中字节码指令集
  main_loop(0, THREAD);

  return 0;
}

因为这里存在多次方法的回调,所以为了篇幅的简单,省略一部分过程,直接看到最终的字节码执行main_loop方法,此方法会循环的执行方法中字节码指令集。

写到这,也已经通过源码论证了我们的猜想。实际上就是JVM执行方法的字节码指令集。

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