CallStub：函数指针直接触发机器指令

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2023-02-14 02:44 4阅读 0赞

上篇日志总结CPU调用函数时的栈内存变化过程，用的C程序解释成汇编来描述，目的是想说明，JVM在执行Java程序时，函数调用的过程和C程序函数调用的过程是相同的，C作为静态编译型的语言，在程序执行先需要编译成CPU能直接执行的二进制码，JVM执行Java程序时也需要先将其解释成字节码，或者说字节码指令集更准确，通常指令集是计算机硬件才有的东西，在开发语言上包装一套指令集，好处是可以统一规范，这样“统一的接口”让开发者用更加接近人类语言来调用机器指令，想想如果让你用汇编来写程序，movl、pop、inc、shl左移右移等，程序可读性没那么高，效率也没那么高。

## JVM字节码指令 ##

字节码指令作为中间语言，作用是帮助Java语言实现一些如栈操作，入栈出栈，传参读参，读写局部变化和函数调用等，例如最简单的控制指令，for循环、foreach循环、do…while循环、if…else和switch等。运算指令集有算术、逻辑、比较和位运算。数据交换指令集，用来操作栈内存、Java堆等，使用数据交换指令来实现数据在这些内存区域里面的交换，或者说传递，函数调用的指令集也在数据交换指令集中。

因为JVM本身就是用C和C++共同编写的解释性虚拟机，所以在执行Java程序时，最终是JVM交由C语言来运行，也就是说，JVM是一边将字节码指令翻译成C程序，一边执行，通过C来调用执行机器指令。这就是JVM中模板解释器的实现思想，为每一个机器指令编写一段实现对应功能的汇编代码，在JVM初始化时，就会将汇编代码翻译成机器指令，加载到内存中，当JVM执行某一条Java字节码指令时，就可以从内存中直接执行对应的汇编代码，直接跳到该指令的内存地址就可以调用执行。

## 函数指针直接触发机器指令 ##

按照上面说的思路，JVM的模板解释器为每一个机器指令编写一段实现对应功能的汇编代码，在运行某一字节码指令时，可以直接执行对应的机器指令，具体的实现方式是怎样的，来看一个例子：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    const unsigned char run[] =  
    {
    	0x55, 0x8B, 0xEC, 0x83, 0xEC, 0x40, 0x53, 0x56, 0x57,
    	0x8d, 0x7d, 0xc0, 0xb9, 0x10, 0x00, 0x00, 0x00, 0xb8,
    	0xcc, 0xcc, 0xcc, 0xcc, 0xf3, 0xab,
    	0x8b, 0x45, 0x08, 0x03, 0x45, 0x0c,
    	0x5f, 0x5e, 0x5b, 0x8b, 0xe5, 0x5d, 0xc3
    };
    
    int main(int argc, char const* argv[]) 
    {
    	int a = 4;
    	int b = 5;
    	int (*add)(int, int); // 定义函数指针
    	add = (void*) run; // 函数指针add指向run机器码
    
    	int result = add(a, b); 
    	printf("%d + %d = %d", a, b, result);
    	
    	return 0;
    }

首先定义一个字符数组run，里面是一个函数的十六进制表示方式，这些字符组成机器指令，作用是对传入的两个数a和b进行求和，并返回结果。接着往下，main（）函数里，还记得C直接操作机器指令的方式吗，就是用函数指针，通过函数指针变量（一个指针），存放某一段机器指令，在C程序编译阶段，C函数指针直接指向了某一段机器指令的首地址，实现直接调用该机器指令。

所以在main（）函数里，定义了一个函数指针add，下一行存放了run字符数组的首地址，最后通过add(a, b)来调用，程序执行到int result = add(a, b);时，就会直接将run数组里的一片连续内存区代码拿出来执行：

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### 两种触发方式 ###

上面的例子，通过函数指针直接触发机器指令，方式是先定义一个函数指针，函数指针就是一个指针变量，和其他普通变量如int，float，char等一样，存放的是一个值，指针变量存放的就是首地址，声明和调用正如上面的例子：

int (\*add)(int, int); // 声明

arr = (void\*) run; //存放某一片地址区域

int i = arr(a, b); // 调用

还有一种方式，就是先声明其是一种类型，有点像面向对象中的类，首先通过typedef定义一种类型，一种函数指针类型，例如：

typedef (\*addType)(int, int);

该语句声明了一种函数指针类型addType，是用户自定义的一种数据类型，然后就可以通过该类型是声明一个变量来用：

addType add = (void\*) run;

int i = arr(a, b);

无论是上面哪种声明，在调用时也有两种方式触发机器指令，第一张就是上面都用到的，直接int i = arr(a, b);看似最简洁明了，但是最好还是使用第二种方式：int i = (\*add)(a, b);因为这样调用可以让别人一看就知道你使用了函数指针，而不是一个普通函数的显式调用。

## call\_stub函数指针 ##

JVM中实现函数指针调用机器指令，用的是call\_stub，它也是一个函数指针，函数原型如下：

static CallStub call_stub()
    {
    	return (CallStub)(castable_address(_call_stub_entry));
    }

函数的调用结果最终会被类型转换成CallStub，CallStub是一个自定义类型，函数指针类型，结构如下：

typedef void (*CallStub) {
    	address	link,
    	intptr_t*	result,
    	BasicType	result_type,
    	methodOopDesc*	method,
    	address	entry_point,
    	intptr_t*	parameters,
    	int size_of_parameters,
    	TRAPS
    };

可以看到一共有8个参数，link表示的是连接器，result是函数返回值的地址，result\_type顾名思义就是函数的返回类型，method表示Java方法对象，entry\_point这个参数很重要，表示的是JVM调用Java方法的事先定义好的入口，前面说到模板解释器，在JVM初始化时会将一些方法调用的“入口”代码编译成机器指令，加载到内存中，在JVM调用方法时，需要先调用这些入口指令，例如Java程序的主函数必须通过call\_stub函数指针来执行。parameters指的是Java方法的参数集合，下一个size\_of\_parameters自然就是参数的数量了。

## castable\_address() ##

CallStub结构搞清楚后，回到call\_stub的调用语句看：

return (CallStub)(castable\_address(\_call\_stub\_entry));

里面的参数是castable\_address，也是一个函数，结构是这样的：

inline address_word castable_address(address_x) 
    {
    	return address_word(x);
    }

返回类型是address\_word，顾名思义是一个地址类型，自定义的地址类型，很容易就能查到它经过了哪些包装：

typedef uintptr\_t address\_word;

typedef unsigned int uintptr\_t;

可以看到，address\_word的最终原型是无符号整型类型unsigned int。最后，就只剩下\_call\_stub\_entry这个参数了它的原封类型也是unsigned int，这些很容易查到它的封装：

static address \_call\_stub\_entry;

到这里把call\_stub函数指针里的三个类型都搞明白了，JVM通过call\_stub函数指针调用目标函数，call\_stub函数相当于一个接口，里面又调用了castable\_address（）函数，传入原封类型是unsigned int的参数\_address\_stub\_entry，标识的就是一个函数的地址。

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