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Java加载与存储指令之ldc与_fast_aldc指令

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ldc指令可以加载String、方法类型或方法句柄的符号引用，但是如果要加载String、方法类型或方法句柄的符号引用，则会在类连接过程中重写ldc字节码指令为虚拟机内部使用的字节码指令_fast_aldc。下面我们详细介绍ldc指令如何加载int、float类型和类类型的数据，以及_fast_aldc加载String、方法类型或方法句柄，还有为什么要进行字节码重写等问题。

1、ldc字节码指令

ldc指令将int、float或String型常量值从常量池中推送至栈顶。模板的定义如下：

def(Bytecodes::_ldc , ubcp|____|clvm|____, vtos, vtos, ldc ,  false );

ldc字节码指令的格式如下：

// index是一个无符号的byte类型数据，指明当前类的运行时常量池的索引
ldc index

调用生成函数TemplateTable::ldc(bool wide)。函数生成的汇编代码如下：　　

第1部分代码：

// movzbl指令负责拷贝一个字节，并用0填充其目
// 的操作数中的其余各位，这种扩展方式叫"零扩展"
// ldc指定的格式为ldc index，index为一个字节
0x00007fffe1028530: movzbl 0x1(%r13),%ebx // 加载index到%ebx
 
// %rcx指向缓存池首地址、%rax指向类型数组_tags首地址
0x00007fffe1028535: mov    -0x18(%rbp),%rcx
0x00007fffe1028539: mov    0x10(%rcx),%rcx
0x00007fffe102853d: mov    0x8(%rcx),%rcx
0x00007fffe1028541: mov    0x10(%rcx),%rax
 
 
// 从_tags数组获取操作数类型并存储到%edx中
0x00007fffe1028545: movzbl 0x4(%rax,%rbx,1),%edx
 
// $0x64代表JVM_CONSTANT_UnresolvedClass，比较，如果类还没有链接，
// 则直接跳转到call_ldc
0x00007fffe102854a: cmp    $0x64,%edx
0x00007fffe102854d: je     0x00007fffe102855d   // call_ldc
 
// $0x67代表JVM_CONSTANT_UnresolvedClassInError，也就是如果类在
// 链接过程中出现错误，则跳转到call_ldc
0x00007fffe102854f: cmp    $0x67,%edx
0x00007fffe1028552: je     0x00007fffe102855d  // call_ldc
 
// $0x7代表JVM_CONSTANT_Class，表示如果类已经进行了连接，则
// 跳转到notClass
0x00007fffe1028554: cmp    $0x7,%edx
0x00007fffe1028557: jne    0x00007fffe10287c0  // notClass
 
// 类在没有连接或连接过程中出错，则执行如下的汇编代码
// -- call_ldc --

下面看一下调用call_VM(rax, CAST_FROM_FN_PTR(address, InterpreterRuntime::ldc), c_rarg1)函数生成的汇编代码，CAST_FROM_FN_PTR是宏，宏扩展后为( (address)((address_word)(InterpreterRuntime::ldc)) )。

在调用call_VM()函数时，传递的参数如下：

  • %rax现在存储类型数组首地址，不过传入是为了接收调用函数的结果值
  • adr是InterpreterRuntime::ldc()函数首地址
  • c_rarg1用rdi寄存器存储wide值，这里为0，表示为没有加wide前缀的ldc指令生成汇编代码

生成的汇编代码如下：

第2部分：

// 将wide的值移到%esi寄存器，为后续
// 调用InterpreterRuntime::ldc()函数准备第2个参数
0x00007fffe102855d: mov $0x0,%esi 
// 调用MacroAssembler::call_VM()函数，通过此函数来调用HotSpot VM中用
// C++编写的函数，通过这个C++编写的函数来调用InterpreterRuntime::ldc()函数
 
0x00007fffe1017542: callq  0x00007fffe101754c 
0x00007fffe1017547: jmpq   0x00007fffe10175df // 跳转到E1
 
// 调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数
// 将栈顶存储的返回地址设置到%rax中，也就是将存储地址0x00007fffe1017547
// 的栈的slot地址设置到%rax中
0x00007fffe101754c: lea 0x8(%rsp),%rax
 
 
// 调用InterpreterMacroAssembler::call_VM_base()函数
// 存储bcp到栈中特定位置
0x00007fffe1017551: mov %r13,-0x38(%rbp)
 
// 调用MacroAssembler::call_VM_base()函数
// 将r15中的值移动到rdi寄存器中，也就是为函数调用准备第一个参数
0x00007fffe1017555: mov   %r15,%rdi
// 只有解释器才必须要设置fp
// 将last_java_fp保存到JavaThread类的last_java_fp属性中
0x00007fffe1017558: mov   %rbp,0x200(%r15)  
// 将last_java_sp保存到JavaThread类的last_java_sp属性中 
0x00007fffe101755f: mov   %rax,0x1f0(%r15)   
 
// ... 省略调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数
 
// 重置JavaThread::last_java_sp与JavaThread::last_java_fp属性的值
0x00007fffe1017589: movabs $0x0,%r10
0x00007fffe1017593: mov %r10,0x1f0(%r15)
0x00007fffe101759a: movabs $0x0,%r10
0x00007fffe10175a4: mov %r10,0x200(%r15)
 
// check for pending exceptions (java_thread is set upon return)
0x00007fffe10175ab: cmpq  $0x0,0x8(%r15)
// 如果没有异常则直接跳转到ok
0x00007fffe10175b3: je    0x00007fffe10175be
// 如果有异常则跳转到StubRoutines::forward_exception_entry()获取的例程入口
0x00007fffe10175b9: jmpq  0x00007fffe1000420
 
// -- ok --
// 将JavaThread::vm_result属性中的值存储到%rax寄存器中并清空vm_result属性的值
0x00007fffe10175be: mov     0x250(%r15),%rax
0x00007fffe10175c5: movabs  $0x0,%r10
0x00007fffe10175cf: mov     %r10,0x250(%r15)
 
// 结束调用MacroAssembler::call_VM_base()函数
 
 
// 恢复bcp与locals
0x00007fffe10175d6: mov   -0x38(%rbp),%r13
0x00007fffe10175da: mov   -0x30(%rbp),%r14
 
 
// 结束调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数
 
0x00007fffe10175de: retq  
// 结束调用MacroAssembler::call_VM()函数

下面详细解释如下汇编的意思。　　

call指令相当于如下两条指令：

push %eip
jmp  addr

而ret指令相当于：

pop %eip

所以如上汇编代码：

0x00007fffe1017542: callq  0x00007fffe101754c 
0x00007fffe1017547: jmpq   0x00007fffe10175df // 跳转
...
0x00007fffe10175de: retq

调用callq指令将jmpq的地址压入了表达式栈，也就是压入了返回地址x00007fffe1017547，这样当后续调用retq时，会跳转到jmpq指令执行，而jmpq又跳转到了0x00007fffe10175df地址处的指令执行。

通过调用MacroAssembler::call_VM()函数来调用HotSpot VM中用的C++编写的函数，call_VM()函数还会调用如下函数：

MacroAssembler::call_VM_helper
InterpreterMacroAssembler::call_VM_base()
MacroAssembler::call_VM_base()
MacroAssembler::call_VM_leaf_base()

在如上几个函数中，最重要的就是在MacroAssembler::call_VM_base()函数中保存rsp、rbp的值到JavaThread::last_java_sp与JavaThread::last_java_fp属性中，然后通过MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数生成的汇编代码来调用C++编写的InterpreterRuntime::ldc()函数，如果调用InterpreterRuntime::ldc()函数有可能破坏rsp和rbp的值（其它的%r13、%r14等的寄存器中的值也有可能破坏，所以在必要时保存到栈中，在调用完成后再恢复，这样这些寄存器其实就算的上是调用者保存的寄存器了），所以为了保证rsp、rbp，将这两个值存储到线程中，在线程中保存的这2个值对于栈展开非常非常重要，后面我们会详细介绍。

由于如上汇编代码会解释执行，在解释执行过程中会调用C++函数，所以C/C++栈和Java栈都混在一起，这为我们查找带来了一定的复杂度。

调用的MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数生成的汇编代码如下：

第3部分汇编代码：

// 调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数
0x00007fffe1017566: test  $0xf,%esp          // 检查对齐
// %esp对齐的操作，跳转到 L
0x00007fffe101756c: je    0x00007fffe1017584 
// %esp没有对齐时的操作
0x00007fffe1017572: sub   $0x8,%rsp
0x00007fffe1017576: callq 0x00007ffff66a22a2  // 调用函数，也就是调用InterpreterRuntime::ldc()函数
0x00007fffe101757b: add   $0x8,%rsp
0x00007fffe101757f: jmpq  0x00007fffe1017589  // 跳转到E2
// -- L --
// %esp对齐的操作
0x00007fffe1017584: callq 0x00007ffff66a22a2  // 调用函数，也就是调用InterpreterRuntime::ldc()函数
 
// -- E2 --
 
// 结束调用
MacroAssembler::call_VM_leaf_base()函数

在如上这段汇编中会真正调用C++函数InterpreterRuntime::ldc()，由于这是一个C++函数，所以在调用时，如果要传递参数，则要遵守C++调用约定，也就是前6个参数都放到固定的寄存器中。这个函数需要2个参数，分别为thread和wide，已经分别放到了%rdi和%rax寄存器中了。InterpreterRuntime::ldc()函数的实现如下：

// ldc负责将数值常量或String常量值从常量池中推送到栈顶
IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::ldc(JavaThread* thread, bool wide))
  ConstantPool* pool = method(thread)->constants();
  int index = wide ? get_index_u2(thread, Bytecodes::_ldc_w) : get_index_u1(thread, Bytecodes::_ldc);
  constantTag tag = pool->tag_at(index);
 
  Klass* klass = pool->klass_at(index, CHECK);
  oop java_class = klass->java_mirror(); // java.lang.Class通过oop来表示
  thread->set_vm_result(java_class);
IRT_END

函数将查找到的、当前正在解释执行的方法所属的类存储到JavaThread类的vm_result属性中。我们可以回看第2部分汇编代码，会将vm_result属性的值设置到%rax中。

接下来继续看TemplateTable::ldc(bool wide)函数生成的汇编代码，此时已经通过调用call_VM()函数生成了调用InterpreterRuntime::ldc()这个C++的汇编，调用完成后值已经放到了%rax中。

// -- E1 --  
0x00007fffe10287ba: push   %rax  // 将调用的结果存储到表达式中
0x00007fffe10287bb: jmpq   0x00007fffe102885e // 跳转到Done
 
// -- notClass --
// $0x4表示JVM_CONSTANT_Float
0x00007fffe10287c0: cmp    $0x4,%edx
0x00007fffe10287c3: jne    0x00007fffe10287d9 // 跳到notFloat
// 当ldc字节码指令加载的数为float时执行如下汇编代码
0x00007fffe10287c5: vmovss 0x58(%rcx,%rbx,8),%xmm0
0x00007fffe10287cb: sub    $0x8,%rsp
0x00007fffe10287cf: vmovss %xmm0,(%rsp)
0x00007fffe10287d4: jmpq   0x00007fffe102885e // 跳转到Done
  
// -- notFloat --
// 当ldc字节码指令加载的为非float，也就是int类型数据时通过push加入表达式栈
0x00007fffe1028859: mov    0x58(%rcx,%rbx,8),%eax
0x00007fffe102885d: push   %rax
 
// -- Done --

由于ldc指令除了加载String外，还可能加载int和float，如果是int，直接调用push压入表达式栈中，如果是float，则在表达式栈上开辟空间，然后移到到这个开辟的slot中存储。注意，float会使用%xmm0寄存器。

2、fast_aldc虚拟机内部字节码指令

下面介绍_fast_aldc指令，这个指令是虚拟机内部使用的指令而非虚拟机规范定义的指令。_fast_aldc指令的模板定义如下：

def(Bytecodes::_fast_aldc , ubcp|____|clvm|____, vtos, atos, fast_aldc ,  false );

生成函数为TemplateTable::fast_aldc(bool wide)，这个函数生成的汇编代码如下：

// 调用InterpreterMacroAssembler::get_cache_index_at_bcp()函数生成
// 获取字节码指令的操作数，这个操作数已经指向了常量池缓存项的索引，在字节码重写
// 阶段已经进行了字节码重写
0x00007fffe10243d0: movzbl 0x1(%r13),%edx
 
// 调用InterpreterMacroAssembler::load_resolved_reference_at_index()函数生成
 
// shl表示逻辑左移，相当于乘4,因为ConstantPoolCacheEntry的大小为4个字
0x00007fffe10243d5: shl    $0x2,%edx
 
// 获取Method*
0x00007fffe10243d8: mov    -0x18(%rbp),%rax
// 获取ConstMethod*
0x00007fffe10243dc: mov    0x10(%rax),%rax
// 获取ConstantPool*
0x00007fffe10243e0: mov    0x8(%rax),%rax
// 获取ConstantPool::_resolved_references属性的值，这个值
// 是一个指向对象数组的指针
0x00007fffe10243e4: mov    0x30(%rax),%rax
 
// JNIHandles::resolve(obj)
0x00007fffe10243e8: mov    (%rax),%rax
 
// 从_resolved_references数组指定的下标索引处获取oop，先进行索引偏移
0x00007fffe10243eb: add    %rdx,%rax
 
// 要在%rax上加0x10，是因为数组对象的头大小为2个字，加上后
// %rax就指向了oop
0x00007fffe10243ee: mov    0x10(%rax),%eax

获取_resolved_references属性的值，涉及到的2个属性在ConstantPool类中的定义如下：

// Array of resolved objects from the constant pool and map from resolved
// object index to original constant pool index
jobject              _resolved_references; // jobject是指针类型
Array<u2>*           _reference_map;

关于_resolved_references指向的其实是Object数组。在ConstantPool::initialize_resolved_references()函数中初始化这个属性。调用链如下：

ConstantPool::initialize_resolved_references()  constantPool.cpp 　　 
Rewriter::make_constant_pool_cache()  rewriter.cpp  
Rewriter::Rewriter()                  rewriter.cpp
Rewriter::rewrite()                   rewriter.cpp
InstanceKlass::rewrite_class()        instanceKlass.cpp 
InstanceKlass::link_class_impl()      instanceKlass.cpp

后续如果需要连接ldc等指令时，可能会调用如下函数：（我们只讨论ldc加载String类型数据的问题，所以我们只看往_resolved_references属性中放入表示String的oop的逻辑，MethodType与MethodHandle将不再介绍，有兴趣的可自行研究）

oop ConstantPool::string_at_impl(
 constantPoolHandle this_oop, 
 int    which, 
 int    obj_index, 
 TRAPS
) {
  oop str = this_oop->resolved_references()->obj_at(obj_index);
  if (str != NULL)
      return str;
 
  Symbol* sym = this_oop->unresolved_string_at(which);
  str = StringTable::intern(sym, CHECK_(NULL));
 
  this_oop->string_at_put(which, obj_index, str);
 
  return str;
}
 
void string_at_put(int which, int obj_index, oop str) {
  // 获取类型为jobject的_resolved_references属性的值
  objArrayOop tmp = resolved_references();
  tmp->obj_at_put(obj_index, str);
}

在如上函数中向_resolved_references数组中设置缓存的值。

大概的思路就是：如果ldc加载的是字符串，那么尽量通过_resolved_references数组中一次性找到表示字符串的oop，否则要通过原常量池下标索引找到Symbol实例（Symbol实例是HotSpot VM内部使用的、用来表示字符串），根据Symbol实例生成对应的oop，然后通过常量池缓存下标索引设置到_resolved_references中。当下次查找时，通过这个常量池缓存下标缓存找到表示字符串的oop。

获取到_resolved_references属性的值后接着看生成的汇编代码，如下：

// ...
// %eax中存储着表示字符串的oop
0x00007fffe1024479: test   %eax,%eax
// 如果已经获取到了oop，则跳转到resolved
0x00007fffe102447b: jne    0x00007fffe1024481
 
// 没有获取到oop，需要进行连接操作，0xe5是_fast_aldc的Opcode
0x00007fffe1024481: mov    $0xe5,%edx　　

调用call_VM()函数生成的汇编代码如下：

// 调用InterpreterRuntime::resolve_ldc()函数
0x00007fffe1024486: callq  0x00007fffe1024490
0x00007fffe102448b: jmpq   0x00007fffe1024526
 
// 将%rdx中的ConstantPoolCacheEntry项存储到第1个参数中
 
// 调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数生成
0x00007fffe1024490: mov    %rdx,%rsi
// 将返回地址加载到%rax中
0x00007fffe1024493: lea    0x8(%rsp),%rax
 
// 调用call_VM_base()函数生成
// 保存bcp
0x00007fffe1024498: mov    %r13,-0x38(%rbp)
 
// 调用MacroAssembler::call_VM_base()函数生成
 
// 将r15中的值移动到c_rarg0(rdi)寄存器中，也就是为函数调用准备第一个参数
0x00007fffe102449c: mov    %r15,%rdi
// Only interpreter should have to set fp 只有解释器才必须要设置fp
0x00007fffe102449f: mov    %rbp,0x200(%r15)
0x00007fffe10244a6: mov    %rax,0x1f0(%r15)
 
// 调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()生成
0x00007fffe10244ad: test   $0xf,%esp
0x00007fffe10244b3: je     0x00007fffe10244cb
0x00007fffe10244b9: sub    $0x8,%rsp
0x00007fffe10244bd: callq  0x00007ffff66b27ac
0x00007fffe10244c2: add    $0x8,%rsp
0x00007fffe10244c6: jmpq   0x00007fffe10244d0
0x00007fffe10244cb: callq  0x00007ffff66b27ac
0x00007fffe10244d0: movabs $0x0,%r10
// 结束调用MacroAssembler::call_VM_leaf_base()
 
0x00007fffe10244da: mov    %r10,0x1f0(%r15)
0x00007fffe10244e1: movabs $0x0,%r10
 
// 检查是否有异常发生
0x00007fffe10244eb: mov    %r10,0x200(%r15)
0x00007fffe10244f2: cmpq   $0x0,0x8(%r15)
// 如果没有异常发生，则跳转到ok
0x00007fffe10244fa: je     0x00007fffe1024505
// 有异常发生，则跳转到StubRoutines::forward_exception_entry()
0x00007fffe1024500: jmpq   0x00007fffe1000420
 
// ---- ok ----
 
// 将JavaThread::vm_result属性中的值存储到oop_result寄存器中并清空vm_result属性的值
0x00007fffe1024505: mov    0x250(%r15),%rax
0x00007fffe102450c: movabs $0x0,%r10
0x00007fffe1024516: mov    %r10,0x250(%r15)
 
// 结果调用MacroAssembler::call_VM_base()函数
 
// 恢复bcp和locals
0x00007fffe102451d: mov    -0x38(%rbp),%r13
0x00007fffe1024521: mov    -0x30(%rbp),%r14
 
// 结束调用InterpreterMacroAssembler::call_VM_base()函数
// 结束调用MacroAssembler::call_VM_helper()函数
 
0x00007fffe1024525: retq   
 
// 结束调用MacroAssembler::call_VM()函数，回到
// TemplateTable::fast_aldc()函数继续看生成的代码，只
// 定义了resolved点
 
// ---- resolved ----　　

调用的InterpreterRuntime::resolve_ldc()函数的实现如下：

IRT_ENTRY(void, InterpreterRuntime::resolve_ldc(
 JavaThread* thread, 
 Bytecodes::Code bytecode)
) {
  ResourceMark rm(thread);
  methodHandle m (thread, method(thread));
  Bytecode_loadconstant  ldc(m, bci(thread));
  oop result = ldc.resolve_constant(CHECK);
 
  thread->set_vm_result(result);
}
IRT_END

这个函数会调用一系列的函数，相关调用链如下：

ConstantPool::string_at_put()   constantPool.hpp
ConstantPool::string_at_impl()  constantPool.cpp
ConstantPool::resolve_constant_at_impl()     constantPool.cpp   
ConstantPool::resolve_cached_constant_at()   constantPool.hpp   
Bytecode_loadconstant::resolve_constant()    bytecode.cpp   
InterpreterRuntime::resolve_ldc()            interpreterRuntime.cpp 　　

 调用的resolve_constant()函数的实现如下：

oop Bytecode_loadconstant::resolve_constant(TRAPS) const {
  int index = raw_index();
  ConstantPool* constants = _method->constants();
  if (has_cache_index()) {
    return constants->resolve_cached_constant_at(index, THREAD);
  } else {
    return constants->resolve_constant_at(index, THREAD);
  }
}

调用的resolve_cached_constant_at()或resolve_constant_at()函数的实现如下：

oop resolve_cached_constant_at(int cache_index, TRAPS) {
    constantPoolHandle h_this(THREAD, this);
    return resolve_constant_at_impl(h_this, _no_index_sentinel, cache_index, THREAD);
}
 
oop resolve_possibly_cached_constant_at(int pool_index, TRAPS) {
    constantPoolHandle h_this(THREAD, this);
    return resolve_constant_at_impl(h_this, pool_index, _possible_index_sentinel, THREAD);
}

调用的resolve_constant_at_impl()函数的实现如下：

oop ConstantPool::resolve_constant_at_impl(
 constantPoolHandle this_oop,
 int index,
 int cache_index,
 TRAPS
) {
  oop result_oop = NULL;
  Handle throw_exception;
 
  if (cache_index == _possible_index_sentinel) {
    cache_index = this_oop->cp_to_object_index(index);
  }
 
  if (cache_index >= 0) {
    result_oop = this_oop->resolved_references()->obj_at(cache_index);
    if (result_oop != NULL) {
      return result_oop;
    }
    index = this_oop->object_to_cp_index(cache_index);
  }
 
  jvalue prim_value;  // temp used only in a few cases below
 
  int tag_value = this_oop->tag_at(index).value();
 
  switch (tag_value) {
  // ...
  case JVM_CONSTANT_String:
    assert(cache_index != _no_index_sentinel, "should have been set");
    if (this_oop->is_pseudo_string_at(index)) {
      result_oop = this_oop->pseudo_string_at(index, cache_index);
      break;
    }
    result_oop = string_at_impl(this_oop, index, cache_index, CHECK_NULL);
    break;
  // ...
  }
 
  if (cache_index >= 0) {
    Handle result_handle(THREAD, result_oop);
    MonitorLockerEx ml(this_oop->lock());  
    oop result = this_oop->resolved_references()->obj_at(cache_index);
    if (result == NULL) {
      this_oop->resolved_references()->obj_at_put(cache_index, result_handle());
      return result_handle();
    } else {
      return result;
    }
  } else {
    return result_oop;
  }
}

通过常量池的tags数组判断，如果常量池下标index处存储的是JVM_CONSTANT_String常量池项，则调用string_at_impl()函数，这个函数在之前已经介绍过，会根据表示字符串的Symbol实例创建出表示字符串的oop。在ConstantPool::resolve_constant_at_impl()函数中得到oop后就存储到ConstantPool::_resolved_references属性中，最后返回这个oop，这正是ldc需要的oop。　

通过重写fast_aldc字节码指令，达到了通过少量指令就直接获取到oop的目的，而且oop是缓存的，所以字符串常量在HotSpot VM中的表示唯一，也就是只有一个oop表示。 　

C++函数约定返回的值会存储到%rax中，根据_fast_aldc字节码指令的模板定义可知，tos_out为atos，所以后续并不需要进一步操作。

到此这篇关于Java加载与存储指令之ldc与_fast_aldc指令的文章就介绍到这了,更多相关Java的ldc与_fast_aldc指令内容请搜索悠悠之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持悠悠之家！

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