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用Java手写jvm之模拟方法调用指令invokexxx和方法返回指令xreturn

news 2025/7/13 5:01:04

写在前面

源码。
本文一起看下方法调用相关的指令invokexxx以及方法返回（栈帧弹出线程栈）相关的指令xReturn 。

1：正文

因为invokexxx指令和普通的指令不同，会创建一个新的栈帧，并压倒操作数栈中，所以我们首先需要来定义一个公共的创建栈帧的方法来让ivvokestatic，invokeinterface等使用，如下：

public class MethodInvokeLogic {public static void invokeMethod(Frame invokerFrame, Method method) {if (method.name.equalsIgnoreCase("returnALong")) {System.out.println("------invoke xxxx 指令，做如下的事情；------");System.out.println("1：从当前栈帧中获取对应的执行线程");System.out.println("2：为要执行的方法创建对应的栈帧，并将栈帧压倒线程栈，作为当前栈帧");System.out.println("3：如果是有入参的话，则从调用栈帧的操作数栈中弹出入参，并设置到新栈帧的局部变量表中，这样被调用方法执行时就可以通过load指令从局部变量中获取操作");}Thread thread = invokerFrame.thread();Frame newFrame = thread.newFrame(method);thread.pushFrame(newFrame);// 将方法需要的参数设置到新栈帧的局部变量表中int argSlotCount = method.argSlotCount();if (argSlotCount > 0) {for (int i = argSlotCount - 1; i >= 0; i--) {Slot slot = invokerFrame.operandStack().popSlot();newFrame.localVars().setSlot(i, slot);}}//hackif (method.isNative()) {if ("registerNatives".equals(method.name())) {thread.popFrame();} else {throw new RuntimeException("native method " + method.name());}}}}

这里我们以invokestatic指令和lreturn指令为例来看下对应的模拟代码，invokestatic指令：

public class INVOKE_STATIC extends InstructionIndex16 {@Overridepublic void execute(Frame frame) {RunTimeConstantPool runTimeConstantPool = frame.method().clazz().constantPool();MethodRef methodRef = (MethodRef) runTimeConstantPool.getConstants(this.idx);Method resolvedMethod = methodRef.ResolvedMethod();if (!resolvedMethod.isStatic()) {throw new IncompatibleClassChangeError();}Class clazz = resolvedMethod.clazz();// 确保初始化完成（加载，链接，初始化中的初始化，即类加载的最后一步）if (!clazz.initStarted()) {frame.revertNextPC();ClassInitLogic.initClass(frame.thread(), clazz);return;}// 执行方法（即生成栈帧并压入到线程栈）MethodInvokeLogic.invokeMethod(frame, resolvedMethod);}
}

lreturn：

public class LRETURN extends InstructionNoOperands {@Overridepublic void execute(Frame frame) {System.out.println("------lreturn 指令执行，做如下的事情：------");System.out.println("1:弹出当前的方法栈帧");System.out.println("2:获取上一个方法");System.out.println("3:从当前方法的操作数栈中获取执行结果,并推送到上一个方法的操作数栈中");Thread thread = frame.thread();Frame currentFrame = thread.popFrame();Frame invokerFrame = thread.topFrame();long val = currentFrame.operandStack().popLong();// 获取上一个方法，并将结果压倒其操作数栈的栈顶，这样，上一个就可以通过pop指令获取结果invokerFrame.operandStack().pushLong(val);}}

main类：

/*** -Xthejrepath     D:\programs\javas\java1.8/jre -Xthetargetclazz     D:\test\itstack-demo-jvm-master\tryy-too-simulate-classload-load-clazz\target\test-classes\org\itstack\demo\test\HelloWorld*/
public class Main {public static void main(String[] args) {Cmd cmd = Cmd.parse(args);if (!cmd.ok || cmd.helpFlag) {System.out.println("Usage: <main class> [-options] class [args...]");return;}if (cmd.versionFlag) {//注意案例测试都是基于1.8，另外jdk1.9以后使用模块化没有rt.jarSystem.out.println("java version \"1.8.0\"");return;}startJVM(cmd);}private static void startJVM(Cmd cmd) {// 创建classpathClasspath cp = new Classpath(cmd.thejrepath, cmd.classpath);
//        System.out.printf("classpath：%s class：%s args：%s\n", cp, cmd.getMainClass(), cmd.getAppArgs());System.out.printf("classpath：%s parsed class：%s \n", cp, cmd.thetargetclazz);//获取className
//        String className = cmd.getMainClass().replace(".", "/");try {
//            byte[] classData = cp.readClass(className);/*byte[] classData = cp.readClass(cmd.thetargetclazz.replace(".", "/"));System.out.println(Arrays.toString(classData));System.out.println("classData：");for (byte b : classData) {//16进制输出System.out.print(String.format("%02x", b & 0xff) + " ");}*/// 创建类加载器准备加载类/*** 加载3个阶段* 1：加载*      找到字节码，并将其存储到原元空间（<=7方法区），然后该类，该类父类，父接口也加载并在堆中生成对应的Class对象* 2：链接*      验证：验证文件内容的合法性，如是否cafebabe打头，结构是否符合定义*      准备：主要是给静态变量申请内存空间，以及赋初始值，如int，short这种则给默认值0*      解析：符号引用（指向类或者方法的一个字符串）转换为直接引用（jvm的内存地址）* 3：初始化*      执行<init>,<clinit>方法,完成静态变量的赋值*/ClassLoader classLoader = new ClassLoader(cp);String clazzName = cmd.thetargetclazz.replace(".", "/");Class mainClass = classLoader.loadClass(clazzName);Method mainMethod = mainClass.getMainMethod();new Interpreter(mainMethod, true);/*// 创建className对应的ClassFile对象ClassFile classFile = loadClass(clazzName, cp);MemberInfo mainMethod = getMainMethod(classFile);if (null == mainMethod) {System.out.println("Main method not found in class " + cmd.classpath);return;}// 核心重点代码：通过解释器来执行main方法new Interpreter(mainMethod);*/} catch (Exception e) {System.out.println("Could not find or load main class " + cmd.getMainClass());e.printStackTrace();}}/*** 获取main函数，这里我们要模拟是执行器执行main函数的过程，当然其他方法也是一样的！！！* @param classFile* @return*/private static MemberInfo getMainMethod(ClassFile classFile) {if (null == classFile) return null;MemberInfo[] methods = classFile.methods();for (MemberInfo m : methods) {if ("main".equals(m.name()) && "([Ljava/lang/String;)V".equals(m.descriptor())) {return m;}}return null;}/*** 生成class文件对象* @param clazzName* @param cp* @return*/private static ClassFile loadClass(String clazzName, Classpath cp) {try {// 获取类class对应的byte数组byte[] classData = cp.readClass(clazzName);return new ClassFile(classData);} catch (Exception e) {System.out.println("无法加载到类： " + clazzName);return null;}}}

定义需要加载的类：

public class HelloWorld {public static void main(String[] args) {/*  long x = fibonacci(10);System.out.println(x);*/returnALong();}public static long returnALong() {long longResult = 99;return longResult;}//斐波那契数列（Fibonacci sequence）/*private static long fibonacci(long n) {if (n <= 1) {return n;} else {return fibonacci(n - 1) + fibonacci(n - 2);}}*/}

定义main的program argument：

-Xthejrepath
D:\programs\javas\java1.8/jre
-Xthetargetclazz
D:\test\itstack-demo-jvm-master\tryy-too-simulate-invokexxx-and-xreturn\target\test-classes\org\itstack\demo\test\HelloWorld

在这里插入图片描述
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