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学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程


hi 大家好,我是 DHL。公众号:ByteCode ,专注分享有趣硬核原创内容,Kotlin、Jetpack、性能优化、系统源码、算法及数据结构、动画、大厂面经


全文分为 视频版文字版

视频版:

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。

bilibili 地址: b23.tv/TQXL4xx

文字版

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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_操作数

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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_程序员_02

  • 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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_程序员_03

索引(Slot)

名字(Name)

0

this

1

num

2

res

  • 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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_04

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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_05

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_操作数_06

  1. 执行指令​​1: iconst_5 ​​,将常量 5 压入操作数栈中

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_07

  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)​

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_局部变量_08

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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_09

进入方法 fun1 (int num)

方法 ​​fun1(int num)​​ 执行流程动画效果如下所示。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_操作数_10

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Kotlin_11

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_程序员_12

  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)​

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_13

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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_操作数_14

进入方法 fun2 (int num)

方法 ​​fun2(int num)​​ 执行流程动画效果如下所示。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Kotlin_15

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_操作数_16

  1. 执行指令​​1: bipush​​ ,将常量 10 压入操作数栈中

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_17

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_程序员_18

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_操作数_19

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_局部变量_20

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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_局部变量_21

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​​boolean​​​ 、​​byte​​​ 、​​char​​​ 、​​short​​​ 和​​int​​ 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。

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_程序员_22

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Kotlin_23

  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​

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Kotlin_24

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_局部变量_25

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_局部变量_26

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Java_27

  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

学习突破35岁焦虑,动画演示内存记录函数调用过程_Kotlin_28

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。


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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