开讲Java运行时,这一篇讲一些简单的内容。我们写的主类中的main()方法是如何被Java虚拟机调用到的?在Java类中的一些方法会被由C/C++编写的HotSpot虚拟机的C/C++函数调用,不过由于Java方法与C/C++函数的调用约定不同,所以并不能直接调用,需要JavaCalls::call()这个函数辅助调用。(我把由C/C++编写的叫函数,把Java编写的叫方法,后续也会延用这样的叫法)如下图所示。
从C/C++函数中调用的一些Java方法主要有:
(1)Java主类中的main()方法;
(2)Java主类装载时,调用JavaCalls::call()函数执行checkAndLoadMain()方法;
(3)类的初始化过程中,调用JavaCalls::call()函数执行的Java类初始化方法
(4)我们先省略main方法的执行流程(其实main方法的执行也是先启动一个JavaMain线程,套路都是一样的),单看某个JavaThread的启动过程。JavaThread的启动最终都要通过一个native方法java.lang.Thread#start0()方法完成的,这个方法经过解释器的native_entry入口,调用到了JVM_StartThread()函数。其中的static void thread_entry(JavaThread* thread, TRAPS)函数中会调用JavaCalls::call_virtual()函数。JavaThread最终会通过JavaCalls::call_virtual()函数来调用字节码中的run()方法;
(5)在SystemDictionary::load_instance_class()这个能体现双亲委派的函数中,如果类加载器对象不为空,则会调用这个类加载器的loadClass()函数(通过call_virtual()函数来调用)来加载类。
当然还会有其它方法,这里就不一一列举了。通过JavaCalls::call()、JavaCalls::call_helper()等函数调用Java方法,这些函数定义在JavaCalls类中,这个类的定义如下:
源代码位置:openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/javaCalls.hpp class JavaCalls: AllStatic { static void call_helper(JavaValue* result, methodHandle* method, JavaCallArguments* args, TRAPS); public: static void call_default_constructor(JavaThread* thread, methodHandle method, Handle receiver, TRAPS); // 使用如下函数调用Java中一些特殊的方法,如类初始化方法等 // receiver表示方法的接收者,如A.main()调用中,A就是方法的接收者 static void call_special(JavaValue* result, KlassHandle klass, Symbol* name,Symbol* signature, JavaCallArguments* args, TRAPS); static void call_special(JavaValue* result, Handle receiver, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, TRAPS); static void call_special(JavaValue* result, Handle receiver, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, Handle arg1, TRAPS); static void call_special(JavaValue* result, Handle receiver, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, Handle arg1, Handle arg2, TRAPS); // 使用如下函数调用动态分派的一些方法 static void call_virtual(JavaValue* result, KlassHandle spec_klass, Symbol* name,Symbol* signature, JavaCallArguments* args, TRAPS); static void call_virtual(JavaValue* result, Handle receiver, KlassHandle spec_klass,Symbol* name, Symbol* signature, TRAPS); static void call_virtual(JavaValue* result, Handle receiver, KlassHandle spec_klass,Symbol* name, Symbol* signature, Handle arg1, TRAPS); static void call_virtual(JavaValue* result, Handle receiver, KlassHandle spec_klass,Symbol* name, Symbol* signature, Handle arg1, Handle arg2, TRAPS); // 使用如下函数调用Java静态方法 static void call_static(JavaValue* result, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, JavaCallArguments* args, TRAPS); static void call_static(JavaValue* result, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, TRAPS); static void call_static(JavaValue* result, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, Handle arg1, TRAPS); static void call_static(JavaValue* result, KlassHandle klass,Symbol* name, Symbol* signature, Handle arg1, Handle arg2, TRAPS); // 更低一层的接口,如上的一些函数可能会最终调用到如下这个函数 static void call(JavaValue* result, methodHandle method, JavaCallArguments* args, TRAPS); };
如上的函数都是自解释的,通过名称我们就能看出这些函数的作用。其中JavaCalls::call()函数是更低一层的通用接口。Java虚拟机规范定义的字节码指令共有5个,分别为invokestatic、invokedynamic、invokestatic、invokespecial、invokevirtual几种方法调用指令。这些call_static()、call_virtual()函数内部调用了call()函数。这一节我们先不介绍各个方法的具体实现。下一篇将详细介绍。
我们选一个重要的main()方法来查看具体的调用逻辑。如下基本照搬R大的内容,不过我略做了一些修改,如下:
假设我们的Java主类的类名为JavaMainClass,下面为了区分java launcher里C/C++的main()与Java层程序里的main(),把后者写作JavaMainClass.main()方法。
从刚进入C/C++的main()函数开始:
启动并调用HotSpot虚拟机的main()函数的线程:
main()函数 -> //... 做一些参数检查 -> //... 开启新线程作为main线程,让它从JavaMain()开始执行;该线程等待main线程执行结束
在如上线程中会启动另外一个线程执行JavaMain()函数,如下:
JavaMain() -> //... 找到指定的JVM -> //... 加载并初始化JVM -> //... 根据Main-Class指定的类名加载JavaMainClass -> //... 在JavaMainClass类里找到名为"main"的方法,签名为"([Ljava/lang/String;)V",修饰符是public的静态方法 -> (*env)->CallStaticVoidMethod(env, mainClass, mainID, mainArgs); // 通过JNI调用JavaMainClass.main()方法
以上步骤都还在java launcher的控制下;当控制权转移到JavaMainClass.main()方法之后就没java launcher什么事了,等JavaMainClass.main()方法返回之后java launcher才接手过来清理和关闭JVM。
下面看一下调用Java主类main()函数时会经过的主要方法及执行的主要逻辑,如下:
// HotSpot VM里对JNI的CallStaticVoidMethod的实现。留意要传给Java方法的参数以C的可变长度参数(…)传入,这个函数将其收集打包为JNI_ArgumentPusherVaArg对象 -> jni_CallStaticVoidMethod() // 这里进一步将要传给Java的参数转换为JavaCallArguments对象传下去 -> jni_invoke_static() // 真正底层实现的开始。这个方法只是层皮,把JavaCalls::call_helper()用os::os_exception_wrapper()包装起来,目的是设置HotSpot VM的C++层面的异常处理 -> JavaCalls::call() -> JavaCalls::call_helper() -> //... 检查目标方法是否为空方法,是的话直接返回 -> //... 检查目标方法是否“首次执行前就必须被编译”,是的话调用JIT编译器去编译目标方法 -> //... 获取目标方法的解释模式入口from_interpreted_entry,下面将其称为entry_point -> //... 确保Java栈溢出检查机制正确启动 -> //... 创建一个JavaCallWrapper,用于管理JNIHandleBlock的分配与释放,以及在调用Java方法前后保存和恢复Java的frame pointer/stack pointer -> StubRoutines::call_stub()( ... ) //... StubRoutines::call_stub()返回一个指向call stub的函数指针,紧接着调用这个call stub,传入前面获取的entry_point和要传给Java方法的参数等信息 // call stub是在VM初始化时生成的。对应的代码在StubGenerator::generate_call_stub()。它的功能可以参考代码前面的注释。 -> //... 把相关寄存器的状态调整到解释器所需的状态 -> //... 把要传给Java方法的参数从JavaCallArguments对象解包展开到解释模式calling convention所要求的位置 -> //... 跳转到前面传入的entry_point,也就是目标方法的from_interpreted_entry -> //... 在-Xcomp模式下,实际跳入的是i2c adapter stub,将解释模式calling convention传入的参数挪到编译模式calling convention所要求的位置 -> //... 跳转到目标方法被JIT编译后的代码里,也就是跳到 nmethod 的 VEP 所指向的位置 -> //... 正式开始执行目标方法被JIT编译好的代码 <- 这里就是"main()方法的真正入口"
后面3个步骤是在编译执行的模式下,不过后续我们从解释执行开始研究,所以需要为虚拟机配置-Xint选项,有了这个选项后,Java主类的main()方法就会解释执行了。
在调用Java主类main()方法的过程中,我们看到了虚拟机是通过JavaCalls::call()函数来间接调用main()方法的,下一篇我们研究一下具体的调用逻辑。
推荐阅读:
第1篇-关于JVM运行时,开篇说的简单些
第2篇-JVM虚拟机这样来调用Java主类的main()方法
第3篇-CallStub新栈帧的创建
第4篇-JVM终于开始调用Java主类的main()方法啦
第5篇-调用Java方法后弹出栈帧及处理返回结果
第6篇-Java方法新栈帧的创建
第7篇-为Java方法创建栈帧
第8篇-dispatch_next()函数分派字节码
第9篇-字节码指令的定义
第10篇-初始化模板表
第11篇-认识Stub与StubQueue
第12篇-认识CodeletMark
第13篇-通过InterpreterCodelet存储机器指令片段
第14篇-生成重要的例程
第15章-解释器及解释器生成器
第16章-虚拟机中的汇编器
第17章-x86-64寄存器
第18章-x86指令集之常用指令
第19篇-加载与存储指令(1)
第20篇-加载与存储指令之ldc与_fast_aldc指令(2)
第21篇-加载与存储指令之iload、_fast_iload等(3)
第22篇-虚拟机字节码之运算指令
第23篇-虚拟机字节码指令之类型转换
第24篇-虚拟机对象操作指令之getstatic
第25篇-虚拟机对象操作指令之getfield
第26篇-虚拟机对象操作指令之putstatic
第27篇-虚拟机字节码指令之操作数栈管理指令
第28篇-虚拟机字节码指令之控制转移指令
第29篇-调用Java主类的main()方法
第30篇-main()方法的执行
第31篇-方法调用指令之invokevirtual