JVM StackMapTable 属性的作用及理解

 

      在Java 6版本之后JVM引入了栈图(Stack Map Table)概念。为了提高验证过程的效率，在字节码规范中添加了Stack Map Table属性，以下简称栈图，其方法的code属性中存储了局部变量和操作数的类型验证以及字节码的偏移量。也就是一个method需要且仅对应一个Stack Map Table。在Java 7版本之后把栈图作为字节码文件中的强制部分。 本来程序员是不需要关心JVM 中的JIT编译器的细节，也不用知道编译原理或者数据流、控制流的细节。但栈图强制了，如果要生成bytecode，必须准确知道每个字节码指令对应的局部变量和操作数栈的类型。这是因为Java7在编译的时期做了一些验证期间要做的事情，那就是类型检查，也就是栈图包含的内容。

     想想都比较抓狂，但是JVM 做的这一点点性能优化对整体性能提升也没起到什么卵用。Java的验证在类加载的时候只会运行一次，而占据了大部分时间的操作是IO的消耗，而不是验证过程。即使现在有了栈图，验证过程依然会执行，栈图的存在只是节省了一部分的验证时间。并且JVM的设计者还必须兼容没有栈图的验证的实现，因为Java7以前版本是没有强制栈图这个概念的，然而Java8 依然延续了栈图的字节码结构。

     下面来结合一个例子看一下栈图的结构。

   Java代码如下：

package bytecode;
 
/**
 * Created by yunshen.ljy on 2015/6/16.
 */
public class Coffee {
 
    int bean;
 
    public void getBean(int var) {
        if (var > 0) {
            this.bean = var;
        } else {
            throw new IllegalArgumentException();
        }
    }
 
}

 

 

     来看一下getBean方法中的字节码，然后重点看StackMapTable，栈图包含了两个entry。

public void getBean(int);
  Code:
   Stack=2, Locals=2, Args_size=2
   0:        iload_1
   1:        ifle    12
   4:        aload_0
   5:        iload_1
   6:        putfield    #2; //Field bean:I
   9:        goto 20
   12:      new #3; //class java/lang/IllegalArgumentException
   15:      dup
   16:      invokespecial   #4; //Method java/lang/IllegalArgumentException."<init>":()V
   19:      athrow
   20:      return
  LineNumberTable:
   line 11: 0
   line 12: 4
   line 14: 12
   line 16: 20
 
  StackMapTable: number_of_entries = 2
   frame_type = 12 /* same */
   frame_type = 7 /* same */

 

 

       最后三行，看到了StackMapTable，没错这个就是栈图。StackMapTable包含了attribute_name_index，attribute_length，number_of_entries以及entries结构。其中number_of_entries代表了栈图frame的个数。在这里我们的entries是  frame_type = 12 /* same */ 和frame_type = 7 /* same */。每一个entry元素都代表了一个方法的StackMapFrame。其包含了字节码的偏移量和局部变量表、操作数栈的验证类型，所以entry的顺序是很重要的。其实第一个StackMapFrame是隐式的，并且是通过类型检查器的方法描述计算出来。这里我们看到的frame_type = 12 /* same */ 其实是方法的第二个StackMapFrame，只不过是显示的StackMapFrame。

     这里先补充一点字节码指令和参数概念，字节码的指令，是由一个字节长度的助记符表示的操作码(Opcode)以及其随后的需要操作的若干参数构成。有的指令并不一定需要参数。但这里注意不要混淆一个概念，这里的参数和操作数（oprends）不是同一个概念。这里的arguments(参数)是静态的值，编译期就存储在编译后的字节码中，而Oprends(操作数)的值第一节介绍的操作数栈中运行期才知道值的数据结构。不知道讲清楚没有，但发现很多译文以及文章都会混淆指令集的“参数”和操作数栈的“操作数”。其实参数是以一个字节为单位的有符号整型，用于指向跳转目标地址,如果是超过一个字节,就以两个参数存储,两个参数还是依照高位在前的方式存储。 如:目标指令地址 = goto指令地址 + ( 参数1 << 8 | 参数2 )。

     所以这里的偏移量要这样计算，在本例中frame_type =12 ,这里12 是这一个frame的字节码偏移量，即offset_delta。下一个StackMapFrame的偏移量是offset_delta+1。在本例中是7+1=8。所以我们看到ifle  12,字节码指令的参数是12，所以entries中第一个StackMapFrame的offset_delta=12，同理 goto 20 其实是goto 12+8，entries第二个StackMapFrame的offset_delta=8。所以StackMapTable通过记录偏移量来保证字节序，并且不会重复记录。

    本例中的StackMapFrame 的frame_type /* same */项表示当前帧和前一帧有相同的局部变量，并且当前操作数栈为空。对于当前局部变量表和操作数栈的数据流可以参考之前的一篇例子。http://yunshen0909.iteye.com/admin/blogs/2221144 。本文主要结合JVM 8规范，如有错误请指正。