JVM动态方法栈内存分配

骑猪看日落 2023-02-21 06:25 32阅读 0赞

**目录**

运行时动态计算栈大小

Java类型实例访问方式

参数在方法栈中的存在方式

生成机器指令

统计栈空间大小

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上一篇日志最后写了JVM在函数内部调用其它函数时栈空间的分配方式，也就是调用者函数和被调用者函数两者的方法栈模型，是一种对接的方式，即被调用者分配的方法栈空间，会对接在调用者方法栈栈顶处，这样被调用者函数可以通过ebp寄存器很方便找到调用者函数中压栈的参数，这是方法栈分配方式问题，不过还有一个问题是，JVM怎么知道要为函数方法栈分配多大的空间呢？你可能会想，像C那样，编译器在编译程序时期，通过对函数的入参，和局部变量的声明来计算出需要分配的栈空间大小，然后为其分配栈空间，这是一种方法。得益于C语言可以被编译器直接编译成机器码，让机器运行，所以计算机可以知道该程序中有多少个变量，它们都是什么类型，一共需要多大的空间，但Java不同，前面日志说过，Java程序因为跨平台性，运行时需要翻译成一种中间语言-字节码，再有JVM来决定哪些部分是解释执行，哪些部分是编译执行（JVM里的JIT即时编译器）。也就是说Java的变量类型不能直接被编译成机器码，Java面向对象编程语言有些自己独特的类型，例如类，对象，所以无法像C那样方便地直接编译成机器能读懂的机器码，从而在运行前计算出调用函数所需要的栈空间大小。

## 运行时动态计算栈大小 ##

JVM运行时将Java程序加载进来，但是由于计算机并不能读懂Java代码，无法执行方法（或者说函数），所以，JVM通过call\_stub（）函数，其返回的CallStub函数指针，来执行Java方法，并将函数传递进去，前面也说过，Java主函数就必须通过call\_stub（）来执行，call\_stub（）函数的执行链中最后调用generate\_call\_stub（）函数来初始化，得到需要执行函数的首地址，返回给\_call\_stub\_entry变量。主函数需要的参数String\[ \] args就是放在了generate\_call\_stub（）函数的方法栈中。举一个简单的例子来说明，假设main（）函数里调用了run（）函数，run（）函数需要两个参数a和b，那么该两个参数在main（）函数中就需要完成压栈，保存在了main（）函数的方法栈内，而不是run（）函数的方法栈里，其实也很好理解，run（）函数需要的参数在其运行前就要被保存好，因为运行前JVM不会为run（）函数分配栈空间，只有当函数被调用后，被调用函数才会得到空间分配，然后从调用者函数的压栈中获得需要的参数。

JVM执行最开始的主函数时也是如此，

public static void main(String\[ \] args) \{

…………………

参数String\[ \] args被保存在了generate\_call\_stub（）函数的方法栈中，不过在保存参数之前，为了能知道函数调用需要多大的栈空间分配，该初始化函数还需要做一些事情，就是运行时动态计算参数的个数，需要的空间大小，在generate\_call\_stub（）函数中对应的代码部分如下：

address generate_call_stub(address& return_address) {
    	StubCodeMark mark(this, "StubRoutines", "call_stub");
        address start = __ pc(); // 当前函数的入口地址
    	
    	assert(frame::entry_frame_call_wrapper_offset == 2, "adjust this code");
    	bool sse_save = false;
    	const Address rsp_after_call(rbp, -4 * wordSize);
    	const int locals_count_in_bytes (4 * wordSize);
    	const Address mxcsr_save (rbp, -4 * wordSize);
    	
    	// 部分源码省略....
    	_enter();
    	_movptr(rcx, parameter_size);
    	_shlptr(rcx, Interpreter::logStackElementSize);
    	_addptr(rcx, locals_count_in_bytes);
    	_subptr(rsp, rcx);
    	_andptr(rsp, -(StackAlignmentInBytes));
    	
    	// 下面源码省略....
    }

标亮部分就是JVM在对Java程序中函数的入参进行计算，可以看到，只需要传入parameter\_size，即入参数量，JVM就可以统计出函数所需要的栈空间大小。虽然不同的数据类型所占的空间大小不同，例如int型占4个字节，char型占1个字节，JVM需要知道每一种类型的空间大小，才能进行累加求和，在Java程序中除了基本数据类型，还有一些类的实例对象这样的数据类型，即使各个参数类型大小不同，JVM还是能做到统计需要的栈空间大小。还记得前面日志有总结到，JVM会为每一个Java类型对象建立内存模型，在CallStub函数指针中需要的八个参数里，其中一个method（）参数，它做的事就是为当前调用的Java方法在JVM内部建立函数模型，模型里包含有被调用函数的方法名，入参类型，入参数量和编译后的字节码指令等，使得JVM可以在程序运行时 动态获取类和对象的信息。

总的来说，JVM知道各种Java基本类型的大小，还为各种类型的实例对象建立了内存模型，这样就可以知道每一种变量所占空间大小，最后根据参数数量统计出总的方法栈空间。

## Java类型实例访问方式 ##

### 参数在方法栈中的存在方式 ###

有一点要注意的是，JVM的栈内存模型中，存放的是变量的引用，也就是指针，而不是数据，这个在前面的日志里也提到了一下，这样做的好处是在被调用者函数中对入参进行寻址时很方便，可以通过寄存器地址+偏移量的方式找到需要的参数的位置，因为方法栈中存放的就是地址。Java类型变量，例如类的实例对象中的成员变量和方法，都是这样的访问方式，通过指针+偏移量的方式访问读取，同样，JVM在函数间传参，传的也是指针。因为JVM这种传递引用（或者说指针）的方式，不管是int\*型还是char\*型变量，它们的宽度都是一样的，32位系统下指针宽度就是4个字节，64位系统下宽度就是8个字节，即使是结构体类型的指针变量，它们的大小都是统一的，这也是为什么JVM在统计函数需要的栈空间时，只需要知道入参数量就可以的原因。

### 生成机器指令 ###

回到generate\_call\_stub（）函数中，先把图片再贴上来一次：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2p1c3RpbnplbmdUTQ_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

parameter\_size在函数栈顶往上偏移32位（4个字节）处的地方，对应的代码部分：

\_movptr(rcx, parameter\_size);

\_shlptr(rcx, Interpreter::logStackElementSize);

第一句的意思是将parameter\_size参数的值传到rcx寄存器中（32位系统下的ecx寄存器在64位下扩展为rcx，ecx寄存器用来保存临时变量），如果把第一句翻译成汇编：

movl 0x20(%ebp), %ecx

意思是将ebp寄存器往上0x20，十六进制换成十进制就是32，往上偏移32个字节处的地方，对应上面的图，即4个字节处，parameter\_size参数的值，放到ecx寄存器中，留意parameter\_size的值表示参数的个数。第二句代码翻译成汇编如下：

shl $0x2, %ecx

意思是将ecx寄存器中的值往左移两位，也就是乘以4，在32位系统下每个指针宽度为4个字节（64位系统下位8个字节，那么就是乘以8，ecx寄存器的值是往左移三位），参数个数乘以指针宽度，最后计算出了函数总的需要的栈空间大小。

### 统计栈空间大小 ###

继续跟着generate\_call\_stub（）函数往下走，计算完需要的栈空间大小后，下一条语句是：

\_addptr(rcx, locals\_count\_in\_bytes);

它的作用是保存调用者函数的现场，即在进入函数之前保存函数的基地址，具体的做法是保存一些寄存器的值，因为这部分我当初没有看透彻，所以不详细展开，要注意的是保存现场，也就是保存一些寄存器的值，这里需要的空间也是算进方法栈空间里的，所以最后总的方法栈空间大小是入参所以需要的空间+保存现场寄存器占用的空间。通常在32位系统下一个寄存器也是4个字节，最后，申请分配方法栈空间：\_subptr(rsp, rcx);

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