关于Java虚拟机HotSpot

我们写的主类中的main()方法是如何被java虚拟机调用到的？在java类中的一些方法会被由c/c++编写的hotspot虚拟机的c/c++函数调用，不过由于java方法与c/c++函数的调用约定不同，所以并不能直接调用，需要javacalls::call()这个函数辅助调用。（我把由c/c++编写的叫函数，把java编写的叫方法，后续也会延用这样的叫法）如下图所示。

从c/c++函数中调用的一些java方法主要有：

• （1）java主类中的main()方法；
• （2）java主类装载时，调用javacalls::call()函数执行checkandloadmain()方法；
• （3）类的初始化过程中，调用javacalls::call()函数执行的java类初始化方法<clinit>，可以查看javacalls::call_default_constructor()函数，有对<clinit>方法的调用逻辑；
• （4）我们先省略main方法的执行流程（其实main方法的执行也是先启动一个javamain线程，套路都是一样的），单看某个javathread的启动过程。javathread的启动最终都要通过一个native方法java.lang.thread#start0()方法完成的，这个方法经过解释器的native_entry入口，调用到了jvm_startthread()函数。其中的static void thread_entry(javathread* thread, traps)函数中会调用javacalls::call_virtual()函数。javathread最终会通过javacalls::call_virtual()函数来调用字节码中的run()方法；
• （5）在systemdictionary::load_instance_class()这个能体现双亲委派的函数中，如果类加载器对象不为空，则会调用这个类加载器的loadclass()函数（通过call_virtual()函数来调用）来加载类。

当然还会有其它方法，这里就不一一列举了。通过javacalls::call() 、javacalls::call_helper()等函数调用java方法，这些函数定义在javacalls类中，

这个类的定义如下：

从c/c++函数中调用的一些java方法主要有：

• （1）java主类中的main()方法；
• （2）java主类装载时，调用javacalls::call()函数执行checkandloadmain()方法；
• （3）类的初始化过程中，调用javacalls::call()函数执行的java类初始化方法<clinit>，可以查看javacalls::call_default_constructor()函数，有对<clinit>方法的调用逻辑；
• （4）我们先省略main方法的执行流程（其实main方法的执行也是先启动一个javamain线程，套路都是一样的），单看某个javathread的启动过程。javathread的启动最终都要通过一个native方法java.lang.thread#start0()方法完成的，这个方法经过解释器的native_entry入口，调用到了jvm_startthread()函数。其中的static void thread_entry(javathread* thread, traps)函数中会调用javacalls::call_virtual()函数。javathread最终会通过javacalls::call_virtual()函数来调用字节码中的run()方法；
• （5）在systemdictionary::load_instance_class()这个能体现双亲委派的函数中，如果类加载器对象不为空，则会调用这个类加载器的loadclass()函数（通过call_virtual()函数来调用）来加载类。

当然还会有其它方法，这里就不一一列举了。通过javacalls::call() 、javacalls::call_helper()等函数调用java方法，这些函数定义在javacalls类中，

这个类的定义如下：

源代码位置：openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/javacalls.hpp
 
class javacalls: allstatic {
  static void call_helper(javavalue* result, methodhandle* method, javacallarguments* args, traps);
 public:
  
  static void call_default_constructor(javathread* thread, methodhandle method, handle receiver, traps);
 
  // 使用如下函数调用java中一些特殊的方法，如类初始化方法<clinit>等
  // receiver表示方法的接收者，如a.main()调用中，a就是方法的接收者
  static void call_special(javavalue* result, klasshandle klass, symbol* name,symbol* signature, javacallarguments* args, traps);
  static void call_special(javavalue* result, handle receiver, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, traps); 
  static void call_special(javavalue* result, handle receiver, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, handle arg1, traps);
  static void call_special(javavalue* result, handle receiver, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, handle arg1, handle arg2, traps);
 
  // 使用如下函数调用动态分派的一些方法
  static void call_virtual(javavalue* result, klasshandle spec_klass, symbol* name,symbol* signature, javacallarguments* args, traps);
  static void call_virtual(javavalue* result, handle receiver, klasshandle spec_klass,symbol* name, symbol* signature, traps); 
  static void call_virtual(javavalue* result, handle receiver, klasshandle spec_klass,symbol* name, symbol* signature, handle arg1, traps);
  static void call_virtual(javavalue* result, handle receiver, klasshandle spec_klass,symbol* name, symbol* signature, handle arg1, handle arg2, traps);
 
  // 使用如下函数调用java静态方法
  static void call_static(javavalue* result, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, javacallarguments* args, traps);
   static void call_static(javavalue* result, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, traps);
  static void call_static(javavalue* result, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, handle arg1, traps);
  static void call_static(javavalue* result, klasshandle klass,symbol* name, symbol* signature, handle arg1, handle arg2, traps);
 
  // 更低一层的接口，如上的一些函数可能会最终调用到如下这个函数
  static void call(javavalue* result, methodhandle method, javacallarguments* args, traps);
};

如上的函数都是自解释的，通过名称我们就能看出这些函数的作用。其中javacalls::call()函数是更低一层的通用接口。java虚拟机规范定义的字节码指令共有5个，分别为invokestatic 、invokedynamic 、invokestatic 、invokespecial、invokevirtual几种方法调用指令。这些call_static() 、call_virtual()函数内部调用了call()函数。这一节我们先不介绍各个方法的具体实现。下一篇将详细介绍。

我们选一个重要的main()方法来查看具体的调用逻辑。如下基本照搬r大的内容，不过我略做了一些修改，如下：

假设我们的java主类的类名为javamainclass，下面为了区分java launcher里c/c++的main()与java层程序里的main()，把后者写作javamainclass.main()方法。

从刚进入c/c++的main()函数开始：

启动并调用hotspot虚拟机的main()函数的线程执行的主要逻辑如下：

main()
-> //... 做一些参数检查
-> //... 开启新线程作为main线程，让它从javamain()函数开始执行；该线程等待main线程执行结束

在如上线程中会启动另外一个线程执行javamain()函数，如下：

javamain()
-> //... 找到指定的jvm
-> //... 加载并初始化jvm
-> //... 根据main-class指定的类名加载javamainclass
-> //... 在javamainclass类里找到名为"main"的方法，签名为"([ljava/lang/string;)v"，修饰符是public的静态方法
-> (*env)->callstaticvoidmethod(env, mainclass, mainid, mainargs); // 通过jni调用javamainclass.main()方法

以上步骤都还在java launcher的控制下；当控制权转移到javamainclass.main()方法之后就没java launcher什么事了，等javamainclass.main()方法返回之后java launcher才接手过来清理和关闭jvm。

下面看一下调用java主类main()方法时会经过的主要方法及执行的主要逻辑，如下：

// hotspot vm里对jni的callstaticvoidmethod的实现。留意要传给java方法的参数
// 以c的可变长度参数传入，这个函数将其收集打包为jni_argumentpushervaarg对象
-> jni_callstaticvoidmethod()  
 
     // 这里进一步将要传给java的参数转换为javacallarguments对象传下去    
     -> jni_invoke_static()  
       
        // 真正底层实现的开始。这个方法只是层皮，把javacalls::call_helper()
        // 用os::os_exception_wrapper()包装起来，目的是设置hotspot vm的c++层面的异常处理
        -> javacalls::call()   
     
           -> javacalls::call_helper()
              -> //... 检查目标方法是否为空方法，是的话直接返回
              -> //... 检查目标方法是否“首次执行前就必须被编译”，是的话调用jit编译器去编译目标方法
              -> //... 获取目标方法的解释模式入口from_interpreted_entry，下面将其称为entry_point
              -> //... 确保java栈溢出检查机制正确启动
              -> //... 创建一个javacallwrapper，用于管理jnihandleblock的分配与释放，
                 // 以及在调用java方法前后保存和恢复java的frame pointer/stack pointer

              //... stubroutines::call_stub()返回一个指向call stub的函数指针，
              // 紧接着调用这个call stub，传入前面获取的entry_point和要传给java方法的参数等信息
              -> stubroutines::call_stub()(...) 
                 // call stub是在vm初始化时生成的。对应的代码在
                 // stubgenerator::generate_call_stub()函数中
                 -> //... 把相关寄存器的状态调整到解释器所需的状态
                 -> //... 把要传给java方法的参数从javacallarguments对象解包展开到解释模
                    // 式calling convention所要求的位置
                 -> //... 跳转到前面传入的entry_point，也就是目标方法的from_interpreted_entry

                    -> //... 在-xcomp模式下，实际跳入的是i2c adapter stub，将解释模式calling convention
                       // 传入的参数挪到编译模式calling convention所要求的位置
                           -> //... 跳转到目标方法被jit编译后的代码里，也就是跳到 nmethod 的 vep 所指向的位置
                                -> //... 正式开始执行目标方法被jit编译好的代码 <- 这里就是"main()方法的真正入口"

后面3个步骤是在编译执行的模式下，不过后续我们从解释执行开始研究，所以需要为虚拟机配置-xint选项，有了这个选项后，java主类的main()方法就会解释执行了。

在调用java主类main()方法的过程中，我们看到了虚拟机是通过javacalls::call()函数来间接调用main()方法的，下一篇我们研究一下具体的调用逻辑。

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