JVM的方法執行引擎-模板表
- 2020 年 8 月 19 日
- 筆記
Java的模板解析執行需要模板表與轉發表的支持，而這2個表中的數據在HotSpot虛擬機啟動時就會初始化。這一篇首先介紹模板表。
在啟動虛擬機階段會調用init_globals()方法初始化全局模塊，在這個方法中通過調用interpreter_init()方法初始化模板解釋器，調用棧如下：
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()方法主要是通過調用TemplateInterpreter::initialize()方法來完成邏輯，initialize()方法的實現如下：
源代碼位置：/src/share/vm/interpreter/templateInterpreter.cpp
void TemplateInterpreter::initialize() {
if (_code != NULL)
return;
// 抽象解釋器AbstractInterpreter的初始化，AbstractInterpreter是基於彙編模型的解釋器的共同基類，
// 定義了解釋器和解釋器生成器的抽象接口
AbstractInterpreter::initialize();
// 模板表TemplateTable的初始化，模板表TemplateTable保存了各個位元組碼的模板
TemplateTable::initialize();
// generate interpreter
{
ResourceMark rm;
int code_size = InterpreterCodeSize;
// CodeCache的Stub隊列StubQueue的初始化
_code = new StubQueue(new InterpreterCodeletInterface, code_size, NULL,"Interpreter");
// 實例化模板解釋器生成器對象TemplateInterpreterGenerator
InterpreterGenerator g(_code);
}
// initialize dispatch table
_active_table = _normal_table;
}
模板解釋器的初始化包括如下幾個方面：
（1）抽象解釋器AbstractInterpreter的初始化，AbstractInterpreter是基於彙編模型的解釋器的共同基類，定義了解釋器和解釋器生成器的抽象接口。
（2）模板表TemplateTable的初始化，模板表TemplateTable保存了各個位元組碼的模板（目標代碼生成函數和參數）；
（3）CodeCache的Stub隊列StubQueue的初始化；
（4）解釋器生成器InterpreterGenerator的初始化。
在之前介紹過，在TemplateInterpreter::initialize() 中通過調用語句來間接調用generate_method_entry()和generate_normal_entry()創建方法執行的棧幀：
InterpreterGenerator g(_code);
不過在如上語句調用之前，首先需要調用TemplateInterpreter類中的initialize()方法初始化模板表，如下：
TemplateTable::initialize();
模板表TemplateTable保存了各個位元組碼的模板（目標代碼生成函數和參數），initialize()方法的實現如下：
源代碼位置：/src/share/vm/interpreter/templateInterpreter.cpp
void TemplateTable::initialize() {
if (_is_initialized) return;
_bs = Universe::heap()->barrier_set();
// For better readability
const char _ = ' ';
const int ____ = 0;
const int ubcp = 1 << Template::uses_bcp_bit;
const int disp = 1 << Template::does_dispatch_bit;
const int clvm = 1 << Template::calls_vm_bit;
const int iswd = 1 << Template::wide_bit;
// interpr. templates
// Java spec bytecodes ubcp|disp|clvm|iswd in out generator argument
def(Bytecodes::_nop , ____|____|____|____, vtos, vtos, nop , _ );
def(Bytecodes::_aconst_null , ____|____|____|____, vtos, atos, aconst_null , _ );
def(Bytecodes::_iconst_m1 , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst , -1 );
def(Bytecodes::_iconst_0 , ____|____|____|____, vtos, itos, iconst , 0 );
// ...
def(Bytecodes::_tableswitch , ubcp|disp|____|____, itos, vtos, tableswitch , _ );
def(Bytecodes::_lookupswitch , ubcp|disp|____|____, itos, itos, lookupswitch , _ );
def(Bytecodes::_ireturn , ____|disp|clvm|____, itos, itos, _return , itos );
def(Bytecodes::_lreturn , ____|disp|clvm|____, ltos, ltos, _return , ltos );
def(Bytecodes::_freturn , ____|disp|clvm|____, ftos, ftos, _return , ftos );
def(Bytecodes::_dreturn , ____|disp|clvm|____, dtos, dtos, _return , dtos );
def(Bytecodes::_areturn , ____|disp|clvm|____, atos, atos, _return , atos );
def(Bytecodes::_return , ____|disp|clvm|____, vtos, vtos, _return , vtos );
def(Bytecodes::_getstatic , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, getstatic , f1_byte );
def(Bytecodes::_putstatic , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, putstatic , f2_byte );
def(Bytecodes::_getfield , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, getfield , f1_byte );
def(Bytecodes::_putfield , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, putfield , f2_byte );
def(Bytecodes::_invokevirtual , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokevirtual , f2_byte );
def(Bytecodes::_invokespecial , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokespecial , f1_byte );
def(Bytecodes::_invokestatic , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokestatic , f1_byte );
def(Bytecodes::_invokeinterface , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokeinterface , f1_byte );
def(Bytecodes::_invokedynamic , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokedynamic , f1_byte );
def(Bytecodes::_new , ubcp|____|clvm|____, vtos, atos, _new , _ );
def(Bytecodes::_newarray , ubcp|____|clvm|____, itos, atos, newarray , _ );
def(Bytecodes::_anewarray , ubcp|____|clvm|____, itos, atos, anewarray , _ );
def(Bytecodes::_arraylength , ____|____|____|____, atos, itos, arraylength , _ );
def(Bytecodes::_athrow , ____|disp|____|____, atos, vtos, athrow , _ );
def(Bytecodes::_checkcast , ubcp|____|clvm|____, atos, atos, checkcast , _ );
def(Bytecodes::_instanceof , ubcp|____|clvm|____, atos, itos, instanceof , _ );
def(Bytecodes::_monitorenter , ____|disp|clvm|____, atos, vtos, monitorenter , _ );
def(Bytecodes::_monitorexit , ____|____|clvm|____, atos, vtos, monitorexit , _ );
def(Bytecodes::_wide , ubcp|disp|____|____, vtos, vtos, wide , _ );
def(Bytecodes::_multianewarray , ubcp|____|clvm|____, vtos, atos, multianewarray , _ );
def(Bytecodes::_ifnull , ubcp|____|clvm|____, atos, vtos, if_nullcmp , equal );
def(Bytecodes::_ifnonnull , ubcp|____|clvm|____, atos, vtos, if_nullcmp , not_equal );
def(Bytecodes::_goto_w , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, goto_w , _ );
def(Bytecodes::_jsr_w , ubcp|____|____|____, vtos, vtos, jsr_w , _ );
// wide Java spec bytecodes
def(Bytecodes::_iload , ubcp|____|____|iswd, vtos, itos, wide_iload , _ );
def(Bytecodes::_lload , ubcp|____|____|iswd, vtos, ltos, wide_lload , _ );
// ...
// JVM bytecodes
def(Bytecodes::_fast_agetfield , ubcp|____|____|____, atos, atos, fast_accessfield , atos );
def(Bytecodes::_fast_bgetfield , ubcp|____|____|____, atos, itos, fast_accessfield , itos );
def(Bytecodes::_fast_cgetfield , ubcp|____|____|____, atos, itos, fast_accessfield , itos );
def(Bytecodes::_fast_dgetfield , ubcp|____|____|____, atos, dtos, fast_accessfield , dtos );
def(Bytecodes::_fast_fgetfield , ubcp|____|____|____, atos, ftos, fast_accessfield , ftos );
def(Bytecodes::_fast_igetfield , ubcp|____|____|____, atos, itos, fast_accessfield , itos );
def(Bytecodes::_fast_lgetfield , ubcp|____|____|____, atos, ltos, fast_accessfield , ltos );
def(Bytecodes::_fast_sgetfield , ubcp|____|____|____, atos, itos, fast_accessfield , itos );
def(Bytecodes::_fast_aputfield , ubcp|____|____|____, atos, vtos, fast_storefield , atos );
def(Bytecodes::_fast_bputfield , ubcp|____|____|____, itos, vtos, fast_storefield , itos );
def(Bytecodes::_fast_cputfield , ubcp|____|____|____, itos, vtos, fast_storefield , itos );
def(Bytecodes::_fast_dputfield , ubcp|____|____|____, dtos, vtos, fast_storefield , dtos );
def(Bytecodes::_fast_fputfield , ubcp|____|____|____, ftos, vtos, fast_storefield , ftos );
def(Bytecodes::_fast_iputfield , ubcp|____|____|____, itos, vtos, fast_storefield , itos );
def(Bytecodes::_fast_lputfield , ubcp|____|____|____, ltos, vtos, fast_storefield , ltos );
def(Bytecodes::_fast_sputfield , ubcp|____|____|____, itos, vtos, fast_storefield , itos );
def(Bytecodes::_fast_aload_0 , ____|____|____|____, vtos, atos, aload , 0 );
def(Bytecodes::_fast_iaccess_0 , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_xaccess , itos );
def(Bytecodes::_fast_aaccess_0 , ubcp|____|____|____, vtos, atos, fast_xaccess , atos );
def(Bytecodes::_fast_faccess_0 , ubcp|____|____|____, vtos, ftos, fast_xaccess , ftos );
def(Bytecodes::_fast_iload , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_iload , _ );
def(Bytecodes::_fast_iload2 , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_iload2 , _ );
def(Bytecodes::_fast_icaload , ubcp|____|____|____, vtos, itos, fast_icaload , _ );
def(Bytecodes::_fast_invokevfinal , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, fast_invokevfinal , f2_byte );
def(Bytecodes::_fast_linearswitch , ubcp|disp|____|____, itos, vtos, fast_linearswitch , _ );
def(Bytecodes::_fast_binaryswitch , ubcp|disp|____|____, itos, vtos, fast_binaryswitch , _ );
def(Bytecodes::_fast_aldc , ubcp|____|clvm|____, vtos, atos, fast_aldc , false );
def(Bytecodes::_fast_aldc_w , ubcp|____|clvm|____, vtos, atos, fast_aldc , true );
def(Bytecodes::_return_register_finalizer , ____|disp|clvm|____, vtos, vtos, _return , vtos );
def(Bytecodes::_invokehandle , ubcp|disp|clvm|____, vtos, vtos, invokehandle , f1_byte );
def(Bytecodes::_shouldnotreachhere , ____|____|____|____, vtos, vtos, shouldnotreachhere , _ );
// platform specific bytecodes
pd_initialize();
_is_initialized = true;
}
TemplateTable的初始化調用def()將所有位元組碼的目標代碼生成函數和參數保存在_template_table或_template_table_wide（wide指令）模板數組中。除了虛擬機規範本身定義的位元組碼指令外，HotSpot虛擬機也定義了一些位元組碼指令，這些指令為了輔助虛擬機進行更好、理簡單的功能實現，例如Bytecodes::_return_register_finalizer等在之前已經介紹過，可以更好的實現finalizer類型對象的註冊功能。
對於調用def()函數時傳遞的一些參數在後面會解釋。def()函數有2個，接收的參數不同，實現如下：
void TemplateTable::def(
Bytecodes::Code code, // 位元組碼指令
int flags, // 標誌位
TosState in, // 模板執行前TosState
TosState out, // 模板執行後TosState
void (*gen)(), // 模板生成器，是模板的核心組件
char filler
) {
assert(filler == ' ', "just checkin'");
def(code, flags, in, out, (Template::generator)gen, 0); // 調用下面的def()函數
}
void TemplateTable::def(
Bytecodes::Code code, // 位元組碼指令
int flags, // 標誌位
TosState in, // 模板執行前TosState
TosState out, // 模板執行後TosState
void (*gen)(int arg), // 模板生成器，是模板的核心組件
int arg
) {
// should factor out these constants
const int ubcp = 1 << Template::uses_bcp_bit; // 表示是否需要bcp指針
const int disp = 1 << Template::does_dispatch_bit; // 表示是否在模板範圍內進行轉發
const int clvm = 1 << Template::calls_vm_bit; // 表示是否需要調用JVM函數
const int iswd = 1 << Template::wide_bit; // 表示是否為wild指令
// determine which table to use
bool is_wide = (flags & iswd) != 0;
// make sure that wide instructions have a vtos entry point
// (since they are executed extremely rarely, it doesn't pay out to have an
// extra set of 5 dispatch tables for the wide instructions - for simplicity
// they all go with one table)
assert(in == vtos || !is_wide, "wide instructions have vtos entry point only");
Template* t = is_wide ? template_for_wide(code) : template_for(code);
// setup entry
t->initialize(flags, in, out, gen, arg); // 調用模板表t的initialize()方法初始化模板表
assert(t->bytecode() == code, "just checkin'");
}
模板表由模板表數組與一組生成器組成：
（1）模板表數組有_template_table與_template_table_wild，數組的下標為bytecode，值為Template，按照位元組碼指令的操作碼遞增順序排列。
（2）一組生成器，所有與bytecode配套的生成器，在初始化模板表時作為gen參數傳給相應的Template。
Template類的定義如下：
源代碼位置：hotspot/src/share/vm/interpreter/templateTable.hpp
// A Template describes the properties of a code template for a given bytecode
// and provides a generator to generate the code template.
class Template VALUE_OBJ_CLASS_SPEC {
private:
enum Flags {
// 位元組碼指令指的是該位元組碼的操作數是否存在於位元組碼裏面
uses_bcp_bit, // set if template needs the bcp pointing to bytecode
does_dispatch_bit,// set if template dispatches on its own
calls_vm_bit, // set if template calls the vm
wide_bit // set if template belongs to a wide instruction
};
typedef void (*generator)(int arg);
int _flags; // describes interpreter template properties (bcp unknown)
TosState _tos_in; // tos cache state before template execution
TosState _tos_out; // tos cache state after template execution
generator _gen; // template code generator
int _arg; // argument for template code generator
...
// Templates
static Template* template_for(Bytecodes::Code code) {
Bytecodes::check(code);
return &_template_table[code];
}
static Template* template_for_wide(Bytecodes::Code code) {
Bytecodes::wide_check(code);
return &_template_table_wide[code];
}
};
調用的template_for()與template_for_wild()方法從_template_table或_template_for_wild數組中取值。這2個變量定義在TemplateTable類中，如下：
static Template _template_table [Bytecodes::number_of_codes]; static Template _template_table_wide[Bytecodes::number_of_codes];
繼續看TemplateTable::def(0函數的各個參數，解釋如下：
（1）_flags：是一個標誌，低四位分別表示：
- uses_bcp_bit，標誌需要使用位元組碼指針（byte code pointer，數值為位元組碼基址+位元組碼偏移量）
- does_dispatch_bit，標誌是否在模板範圍內進行轉發，如跳轉類指令會設置該位
- calls_vm_bit，標誌是否需要調用JVM函數
- wide_bit，標誌是否是wide指令（使用附加位元組擴展全局變量索引）
（2）_tos_in：表示模板執行前的TosState（操作數棧棧頂元素的數據類型，TopOfStack，用來檢查模板所聲明的輸出輸入類型是否和該函數一致，以確保棧頂元素被正確使用）
（3）_tos_out：表示模板執行後的TosState
（4）_gen：表示模板生成器（函數指針）
（5）_arg：表示模板生成器參數
再來看一下TemplateTable::initialize()方法中對def()函數的調用，以_iinc（將局部變量增加1）為例，調用如下：
def( Bytecodes::_iinc, // 位元組碼指令 ubcp|____|clvm|____, // 標誌 vtos, // 模板執行前的TosState vtos, // 模板執行後的TosState iinc , // 模板生成器，是一個iinc()函數的指針 _ // 不需要模板生成器參數 );
設置標誌位uses_bcp_bit和calls_vm_bit，表示iinc指令的生成器需要使用bcp指針函數at_bcp()，且需要調用JVM函數，下面給出了生成器的定義：
源代碼位置：/hotspot/src/cpu/x86/vm/templateTable_x86_64.cpp
void TemplateTable::iinc() {
transition(vtos, vtos);
__ load_signed_byte(rdx, at_bcp(2)); // get constant
locals_index(rbx);
__ addl(iaddress(rbx), rdx);
}
iinc指令的格式如下：
iinc index const
操作碼iinc佔用一個位元組，而index與const分別佔用一個位元組。使用at_bcp()函數獲取iinc指令的操作數，2表示偏移2位元組，所以會將const取出來存儲到rdx中。調用locals_index()函數取出index，locals_index()就是JVM函數。最終生成的彙編如下：
// %r13存儲的是指向位元組碼的指針，偏移2位元組後取出const存儲到%edx 0x00007fffe101a210: movsbl 0x2(%r13),%edx // 取出index存儲到%ebx 0x00007fffe101a215: movzbl 0x1(%r13),%ebx 0x00007fffe101a21a: neg %rbx // %r14指向本地變量表的首地址，將%edx加到%r14+%rbx*8指向的內存所存儲的值上 // 之所以要對%rbx執行neg進行符號反轉，是因為在Linux內核的操作系統上，棧是向低地址方向生長的 0x00007fffe101a21d: add %edx,(%r14,%rbx,8)
不過這裡並不會調用iinc()函數生成對應的彙編代碼，只是將傳遞給def()函數的各種信息保存到Template對象中，在TemplateTable::def()方法中，通過template_for()或template_for_wild()方法獲取到數組中對應的Template對象後，就會調用Template::initialize()方法，實現如下：
void Template::initialize(int flags, TosState tos_in, TosState tos_out, generator gen, int arg) {
_flags = flags;
_tos_in = tos_in;
_tos_out = tos_out;
_gen = gen;
_arg = arg;
}
可以看到，只是將信息保存到對應的Template對象中，這樣就可以根據位元組碼索引從數組中獲取對應的Template對象，進而獲取相關信息。下一篇我們將會看到對這些信息的使用。
相關文章的鏈接如下：
1、在Ubuntu 16.04上編譯OpenJDK8的源代碼
13、類加載器
14、類的雙親委派機制
15、核心類的預裝載
16、Java主類的裝載
17、觸發類的裝載
18、類文件介紹
19、文件流
20、解析Class文件
21、常量池解析（1）
22、常量池解析（2）
23、字段解析（1）
24、字段解析之偽共享（2）
25、字段解析（3）
28、方法解析
29、klassVtable與klassItable類的介紹
30、計算vtable的大小
31、計算itable的大小
32、解析Class文件之創建InstanceKlass對象
33、字段解析之字段注入
34、類的連接
35、類的連接之驗證
36、類的連接之重寫（1）
37、類的連接之重寫（2）
38、方法的連接
39、初始化vtable
40、初始化itable
41、類的初始化
42、對象的創建
43、Java引用類型
50、CallStub棧幀
52、generate_fixed_frame()方法生成Java方法棧幀
54、虛擬機執行模式
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