JVM的方法执行引擎-entry point栈帧

2020 年 8 月 18 日
笔记

接着上一篇去讲，回到JavaCalls::call_helper()中：

address entry_point = method->from_interpreted_entry();

entry_point是从当前要执行的Java方法中获取的，定义如下：

源代码位置：/openjdk/hotspot/src/share/vm/oops/method.hpp
volatile address from_interpreted_entry() const{ 
      return (address)OrderAccess::load_ptr_acquire(&_from_interpreted_entry); 
}

那么_from_interpreted_entry是何时赋值的？之前在介绍方法连接时简单介绍过，在method.hpp中有这样一个set方法：

void set_interpreter_entry(address entry) { 
    _i2i_entry = entry;  
    _from_interpreted_entry = entry; 
}

在连接方法时通过如下的方法调用上面的方法：

// Called when the method_holder is getting linked. Setup entrypoints so the method
// is ready to be called from interpreter, compiler, and vtables.
void Method::link_method(methodHandle h_method, TRAPS) {
  // ...
  address entry = Interpreter::entry_for_method(h_method);
  assert(entry != NULL, "interpreter entry must be non-null");
  // Sets both _i2i_entry and _from_interpreted_entry
  set_interpreter_entry(entry);
  // ...
}

根据注释都可以得知，当方法连接时，会去设置方法的entry_point，entry_point是通过调用Interpreter::entry_for_method()方法得到，这个方法的实现如下：

static address entry_for_method(methodHandle m)  { 
     return entry_for_kind(method_kind(m)); 
}

首先通过method_kind()拿到方法类型，然后调用entry_for_kind()方法根据方法类型获取方法入口entry point。调用的entry_for_kind()方法如下：

static address entry_for_kind(MethodKind k){ 
      return _entry_table[k]; 
}

这里直接返回了_entry_table数组中对应方法类型的entry_point地址。给数组中元素赋值专门有个方法：

void AbstractInterpreter::set_entry_for_kind(AbstractInterpreter::MethodKind kind, address entry) {
  _entry_table[kind] = entry;
}

那么何时会调用set_entry_for_kind ()呢，答案就在TemplateInterpreterGenerator::generate_all()中，generate_all()会调用generate_method_entry()去生成每种方法的entry_point，所有Java方法的执行，都会通过对应类型的entry_point例程来辅助。下面来详细介绍一下generate_all()方法的实现逻辑。　

HotSpot在启动时，会为所有字节码创建在特定目标平台上运行的机器码，并存放在CodeCache中，在解释执行字节码的过程中，就会从CodeCache中取出这些本地机器码并执行。

在启动虚拟机阶段会调用init_globals()方法初始化全局模块，在这个方法中通过调用interpreter_init()方法初始化模板解释器，调用栈如下：

TemplateInterpreter::initialize()    templateInterpreter.cpp
interpreter_init()                   interpreter.cpp
init_globals()                       init.cpp
Threads::create_vm()                 thread.cpp
JNI_CreateJavaVM()                   jni.cpp
InitializeJVM()                      java.c
JavaMain()                           java.c
start_thread()                       pthread_create.c

interpreter_init()方法主要是通过调用TemplateInterpreter::initialize()方法来完成逻辑，initialize()方法的实现如下：

源代码位置：/src/share/vm/interpreter/templateInterpreter.cpp

void TemplateInterpreter::initialize() {
  if (_code != NULL) 
       return;

  // 抽象解释器AbstractInterpreter的初始化，AbstractInterpreter是基于汇编模型的解释器的共同基类，
  // 定义了解释器和解释器生成器的抽象接口
  AbstractInterpreter::initialize();

  // 模板表TemplateTable的初始化，模板表TemplateTable保存了各个字节码的模板
  TemplateTable::initialize();

  // generate interpreter
  {
     ResourceMark rm;
     int code_size = InterpreterCodeSize;
     // CodeCache的Stub队列StubQueue的初始化
     _code = new StubQueue(new InterpreterCodeletInterface, code_size, NULL,"Interpreter");
     //  实例化模板解释器生成器对象TemplateInterpreterGenerator
     InterpreterGenerator g(_code);
  }

  // initialize dispatch table
  _active_table = _normal_table;
}

模板解释器的初始化包括如下几个方面：

（1）抽象解释器AbstractInterpreter的初始化，AbstractInterpreter是基于汇编模型的解释器的共同基类，定义了解释器和解释器生成器的抽象接口。

（2）模板表TemplateTable的初始化，模板表TemplateTable保存了各个字节码的模板（目标代码生成函数和参数）；

（3）CodeCache的Stub队列StubQueue的初始化；

（4）解释器生成器InterpreterGenerator的初始化。

在执行InterpreterGenerator g(_code)代码时，调用InterpreterGenerator的构造函数，如下：

InterpreterGenerator::InterpreterGenerator(StubQueue* code) : TemplateInterpreterGenerator(code) {
   generate_all(); // down here so it can be "virtual"
}

调用的generate_all()方法将生成一系列HotSpot运行过程中所执行的一些公共代码的入口和所有字节码的InterpreterCodelet。这些入口包括：

error exits：出错退出处理入口
字节码追踪入口(配置了-XX:+TraceBytecodes)
函数返回入口
JVMTI的EarlyReturn入口
逆优化调用返回入口
native调用返回值处理handlers入口
continuation入口
safepoint入口
异常处理入口
抛出异常入口
方法入口（native方法和非native方法）
字节码入口

部分重要的入口实现逻辑会在后面详细介绍，这里只看为非native方法入口（也就是普通的、没有native关键字修饰的Java方法）生成入口的逻辑。generate_all()方法中有如下调用语句：

#define method_entry(kind)                                                                    \
  {                                                                                           \
    CodeletMark cm(_masm, "method entry point (kind = " #kind ")");                           \
    Interpreter::_entry_table[Interpreter::kind] = generate_method_entry(Interpreter::kind);  \
  }　　

method_entry(zerolocals)

其中method_entry是宏，扩展后如上的调用语句变为如下的形式：

Interpreter::_entry_table[Interpreter::zerolocals] = generate_method_entry(Interpreter::zerolocals);

_entry_table变量定义在AbstractInterpreter类中，如下：

// method entry points
static address    _entry_table[number_of_method_entries];     // entry points for a given method

number_of_method_entries表示方法类型的总数，使用方法类型做为数组下标就可以获取对应的方法入口。调用generate_method_entry()方法为各个类型的方法生成对应的方法入口，实现如下：

address AbstractInterpreterGenerator::generate_method_entry(AbstractInterpreter::MethodKind kind) {
  // determine code generation flags
  bool                   synchronized = false;
  address                entry_point = NULL;
  InterpreterGenerator*  ig_this = (InterpreterGenerator*)this;

  switch (kind) { // 根据方法类型kind生成不同的入口
  case Interpreter::zerolocals             : // zerolocals表示普通方法类型
	  break;
  case Interpreter::zerolocals_synchronized: // zerolocals表示普通的、同步方法类型
	  synchronized = true;
	  break;
  // ...
  }

  if (entry_point) {
     return entry_point;
  }

  return ig_this->generate_normal_entry(synchronized);
}

zerolocals表示正常的Java方法调用（包括Java程序的主函数），对于zerolocals来说，会调用ig_this->generate_normal_entry()方法生成入口。generate_normal_entry()方法会为执行的方法生成堆栈，而堆栈由局部变量表（用来存储传入的参数和被调用函数的局部变量）、帧数据和操作数栈这三大部分组成，所以方法会创建这3部分来辅助Java方法的执行。

之前在介绍CallStub栈帧时讲到过，如果要执行entry_point，那么栈帧的状态就如下图所示。

/src/cpu/x86/vm/templateInterpreter_x86_64.cpp文件中generate_normal_entry()方法在通过CallStub调用时，各个寄存器的状态如下：

rbx -> Method*
r13 -> sender sp
rsi -> entry point

generate_normal_entry()方法的实现如下：

// Generic interpreted method entry to (asm) interpreter
address InterpreterGenerator::generate_normal_entry(bool synchronized) {
  // determine code generation flags
  bool inc_counter  = UseCompiler || CountCompiledCalls;
 
  // 执行如下方法前的寄存器中保存的值如下：
  // ebx: Method*
  // r13: sender sp  
  address entry_point = __ pc();   // entry_point函数的代码入口地址
 
  // 当前rbx中存储的是指向Method的指针，通过Method*找到ConstMethod*
  const Address constMethod(rbx, Method::const_offset()); 
  // 通过Method*找到AccessFlags
  const Address access_flags(rbx, Method::access_flags_offset()); 
  // 通过ConstMethod*得到parameter的大小
  const Address size_of_parameters(rdx,ConstMethod::size_of_parameters_offset());
  // 通过ConstMethod*得到local变量的大小
  const Address size_of_locals(rdx, ConstMethod::size_of_locals_offset());
 
  // 上面已经说明了获取各种方法元数据的计算方式，但并没有执行计算，下面会生成对应的汇编来执行计算
  // get parameter size (always needed)
  __ movptr(rdx, constMethod);                     // 计算ConstMethod*，保存在rdx里面
  __ load_unsigned_short(rcx, size_of_parameters); // 计算parameter大小，保存在rcx里面
  //rbx：保存基址；rcx：保存循环变量；rdx：保存目标地址；rax：保存返回地址（下面用到）
 
  // 此时的各个寄存器中的值如下：
  // rbx: Method*
  // rcx: size of parameters
  // r13: sender_sp (could differ from sp+wordSize if we were called via c2i ) 即调用者的栈顶地址
  // 计算local变量的大小，保存到rdx
__ load_unsigned_short(rdx, size_of_locals);
  // 由于局部变量表用来存储传入的参数和被调用函数的局部变量，所以rdx减去rcx后就是被调用函数的局部变量可使用的大小 
  __ subl(rdx, rcx); 
 
 
  // see if we've got enough room on the stack for locals plus overhead.
  generate_stack_overflow_check();
 
  //返回地址是在call_stub中保存的，如果不弹出堆栈到rax，那么局部变量区就如下面的样子：
  // [parameter 1]
  // [parameter 2]
  // ......
  // [parameter n]
  // [return address]
  // [local 1]
  // [local 2]
  // ...
  // [local n]
  // 显然中间有个return address使的局部变量表不是连续的，这会导致其中的局部变量计算方式不一致，所以暂时将返回地址存储到rax中
  // get return address
  __ pop(rax);
 
  // compute beginning of parameters (r14)
  // 计算第1个参数的地址：当前栈顶地址 + 变量大小 * 8 - 一个字大小。
  // 这儿注意，因为地址保存在低地址上，而堆栈是向低地址扩展的，所以只需加n-1个变量大小就可以得到第1个参数的地址。
  __ lea(r14, Address(rsp, rcx, Address::times_8, -wordSize));
 
  // 把函数的局部变量全置为0,也就是做初始化，防止之前遗留下的值影响
  // rdx：被调用函数的局部变量可使用的大小
  // allocate space for locals
  // explicitly initialize locals
  {
    Label exit, loop;
    __ testl(rdx, rdx);
    __ jcc(Assembler::lessEqual, exit); // do nothing if rdx <= 0
    __ bind(loop);
    __ push((int) NULL_WORD); // initialize local variables
    __ decrementl(rdx); // until everything initialized
    __ jcc(Assembler::greater, loop);
    __ bind(exit);
  }
 
  // 生成固定桢
  // initialize fixed part of activation frame
  generate_fixed_frame(false);
 
  // 省略统计及栈溢出等逻辑，后面会详细介绍
 
  // check for synchronized methods
  // Must happen AFTER invocation_counter check and stack overflow check,
  // so method is not locked if overflows.
  if (synchronized) {
    // Allocate monitor and lock method
    lock_method();
  } else {
    // no synchronization necessary
  }

  // 跳转到目标Java方法的第一条字节码指令，并执行其对应的机器指令
   __ dispatch_next(vtos);
 
  // 省略统计相关逻辑，后面会详细介绍
 
  return entry_point;
}

要对偏移的计算进行研究，如下：

// 当前rbx中存储的是指向Method的指针，通过Method*找到ConstMethod*
const Address constMethod(rbx, Method::const_offset()); 
// 通过Method*找到AccessFlags
const Address access_flags(rbx, Method::access_flags_offset()); 
// 通过ConstMethod*得到parameter的大小
const Address size_of_parameters(rdx,ConstMethod::size_of_parameters_offset());
// 通过ConstMethod*得到local变量的大小
const Address size_of_locals(rdx, ConstMethod::size_of_locals_offset());

如果要打印这个方法生成的汇编代码，可以在方法的return语句之前添加如下2句打印代码：

address end =  __ pc();
Disassembler::decode(entry_point, end);

这样，在执行Disassembler::decode()方法时，会将此方法生成的机器码转换为汇编打印到控制台上。

调用generate_fixed_frame()方法之前生成的汇编代码如下：

Loaded disassembler from /home/mazhi/workspace/openjdk/build/linux-x86_64-normal-server-slowdebug/jdk/lib/amd64/server/hsdis-amd64.so
[Disassembling for mach='i386:x86-64']
  0x00007fffe101e2e0: mov    0x10(%rbx),%rdx // 通过%rbx中保存的Method*找到ConstMethod并保存到%rdx
  0x00007fffe101e2e4: movzwl 0x2a(%rdx),%ecx // 通过ConstMethod*找到入参数量保存在%ecx
  0x00007fffe101e2e8: movzwl 0x28(%rdx),%edx // 通过ConstMethod*找到本地变量表大小保存在%edx
  0x00007fffe101e2ec: sub    %ecx,%edx       // 计算方法局部变量可使用的本地变量空间的大小并保存在%edx

  // ... 省略调用generate_stack_overflow_check()方法生成的汇编

  0x00007fffe101e43d: pop    %rax                   // 弹出返回地址
  0x00007fffe101e43e: lea    -0x8(%rsp,%rcx,8),%r14 // 计算第一个参数的地址
  // 为局部变量slot(不包括方法入参）分配堆栈空间并初始化为0
  //  循环进行本地变量表空间的开辟
  // -- loop --
  0x00007fffe101e443: test   %edx,%edx  
  0x00007fffe101e445: jle    0x00007fffe101e454 // 由于%edx的大小等于0,所以不需要额外分配，直接跳转到exit
  0x00007fffe101e44b: pushq  $0x0
  0x00007fffe101e450: dec    %edx
  0x00007fffe101e452: jg     0x00007fffe101e44b　// 如果%edx的大小不等于0,跳转到loop

现在栈的状态如下图所示。

现在r14指向局部变量开始的位置，而argument和local variable都存储在了局部变量表，rbp指向了局部变量表结束位置。现在各个寄存器的状态如下：　

rax: return address  // %rax寄存器中存储的是返回地址return address
rbx: Method*
r14: pointer to locals
r13: sender sp

在InterpreterGenerator::generate_normal_entry()函数中，接下来会以这样的状态调用generate_fixed_frame()函数来创建Java方法运行时所需要的栈帧。generate_fixed_frame()函数会在下一篇详细介绍。

调用后栈帧变为如下的状态：

上图右边的栈状态随着具体方法的不同会显示不同的状态，不过大概的状态就是上图所示的样子。

调用完generate_fixed_frame()方法后一些寄存器中保存的值如下：

rbx：Method*
ecx：invocation counter
r13：bcp(byte code pointer)
rdx：ConstantPool* 常量池的地址
r14：本地变量表第1个参数的地址

执行完generate_fixed_frame()方法后会继续执行InterpreterGenerator::generate_normal_entry()函数，如果是为同步方法生成机器码，那么还需要调用lock_method()方法，这个方法会改变当前栈的状态，添加同步所需要的一些信息，在后面介绍锁的实现时会详细介绍。

InterpreterGenerator::generate_normal_entry()函数最终会返回生成机器码的入口执行地址，然后通过变量_entry_table数组来保存，这样就可以使用方法类型做为数组下标获取对应的方法入口了。　

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