手写Java虚拟机（七）——方法调用与返回

大家也不用找四、五、六了，都在这一起写了，因为这几节单独写个博客感觉没意思，在我看完《自己动手写Java虚拟机》第七章并且实现之后，才能把这前几个章节给串起来。

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文字比较枯燥，所以我还是给大家分析个例子吧，比如，下面这个类的执行流程。

public class jj {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(add(2));
    }
    public static long add(long n) {
        return n + 1;
    }
}

当我们在IDEA中执行这个java程序的时候，IDEA会帮我们把这个java文件编译成class文件，然后调用java去执行class文件。

执行的过程大概是这样的：

一、类加载器加载Class文件

这里所说的加载，也就是指类的加载机制，包括有加载——验证——准备——解析——初始化这几个步骤。

加载、 验证、 准备、 初始化和卸载这 5 个阶段的顺序足确定的， 类的加栽过程必须按照这种顺序按部就班地开始， 而解析阶段则不一定 ： 它在某些情况下可以在初始化阶段之后冉开始， 这是为了支持 Java 语言的运行时绑定（ 也称为动态绑定或晚期绑定）.注意， 这里笔者写的是按部就班地‘‘ 开始”， 而不是按部就班地“ 进行” 或“ 完成”， 强调这点是因为这些阶段通常都是互相交叉地混合式进行的， 通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另外一个阶段。——引用自《深入理解Java虚拟机》

二、类方法调用与返回

在执行完Class文件加载后，这个类在内存中就会有一个Class对象代表这个类，通常这个存放Class对象信息的内存区域，叫做方法区。

之后，会调用这个类信息中的Main主方法。

怎么调用呢？首先我们知道，在内存中，方法的所有代码都会被编译成字节码信息，如下图：

执行完这些字节码，方法也就执行完了。

那么，这些字节码指令是怎么执行的呢？

在讲解之前，要跟大家介绍下JVM运行时内存区域的划分。

运行时内存可以分为两大类，一类是线程共享内存，一类是非线程共享的内存。多线程共享的运行时数据区需要在Java虚拟机启动时创建好，在Java虚拟机退出时销毁。线程私有的运行时数据区则在创建线程时才创建，线程退出时销毁。

多线程共享的内存区域主要存放两类数据：类数据和类实例（也就是对象）。对象数据存放在堆中，类数据存放在方法区中。

线程私有的运行时数据区用于辅助执行Java字节码。每个线程都有自己的pc寄存器和Java虚拟机栈。Java虚拟机栈又由栈帧（后面简称帧）构成，帧中保存方法执行的状态，包括局部变量表和操作数栈等。

每一个方法，都是一个帧，帧中的局部变量表和操作数栈，大家可以理解为局部变量表就是一个数组，操作数栈就一个栈结构，局部变量表和操作数栈的大小，是在编译成Class的时候确定的，在加载类的时候，进行了大小定义，在这里我们可以看到，main方法的局部变量表大小为1，操作数栈大小为3

 在执行java字节码的时候，会有一个字节码解释执行引擎，也可以简单理解为一个for循环，循环执行字节码。

比如第一条指令是getstatic，这个指令获取指定类的静态域，并将其值压入栈顶，执行完之后，操作数栈深度为1，局部变量表大小为0。Slot大家可以理解为操作数栈和局部变量表的最小存储单元，可以存放一个int大小的整数或者一个Object引用

LocalVars(slots=[Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=1, slots=[Slot(num=0, ref=null), Slot(num=0, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

接着是第二条指令ldc2_w，将long或double型常量值从常量池中推送至栈顶（宽索引），执行完之后，操作数栈深度为3，局部变量表大小为0。为什么是3呢？因为这里是宽索引，占了两个单位

LocalVars(slots=[Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=3, slots=[Slot(num=0, ref=null), Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

第三条指令invokestatic，调用静态方法add()，调用之后，会读取add方法所需参数大小，然后从操作数栈中弹出对应大小的参数，并且创建新的桢，压入线程中，再将弹出的参数，存放在add方法的桢里的局部变量表里，以此达成方法调用以及参数传递。

LocalVars(slots=[Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=1, slots=[Slot(num=0, ref=null), Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

接着是进入add方法：

第一个指令是lload_0， 将第一个long型本地变量推送至栈顶，所以执行后这个桢的操作数栈和局部方法表如下（注意：每个方法所代表的桢的操作数栈和局部方法表都是独立的）

LocalVars(slots=[Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=2, slots=[Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null), Slot(num=0, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

接着是lconst_1，将long型1推送至栈顶

LocalVars(slots=[Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=4, slots=[Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null), Slot(num=1, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

然后是ladd，将栈顶两long型数值相加并将结果压入栈顶

LocalVars(slots=[Slot(num=2, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=2, slots=[Slot(num=3, ref=null), Slot(num=0, ref=null), Slot(num=1, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

最后是lreturn，从当前方法返回long，在这个指令的实现中，会弹出当前帧，也就是add方法，那么下次执行的就是main方法了，并且会将当前帧的操作数栈，弹出长度为Long的Slot（因为是lreturn，同理还有ireturn、freturn等等），再将弹出的值压入将要执行的桢中的操作数栈中。这也就是方法返回。

LocalVars(slots=[Slot(num=3, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])
       OperandStack(size=0, slots=[Slot(num=3, ref=null), Slot(num=0, ref=null), Slot(num=1, ref=null), Slot(num=0, ref=null)])

此时回到main方法，接着执行下一指令Invokevirtual，调用实例方法System.out.println()输出操作数栈中的值。

最后是return指令，从当前方法返回void。

到此，这个java程序就执行完毕了，也给大家简单介绍了方法的调用和返回。

写的不好的地方，大家可以在下方评论，也可以去clone我的项目https://github.com/ZheBigFish/myjvm