第十一章 用Java实现JVM之异常处理

用Java实现JVM目录

第零章 用Java实现JVM之随便说点什么
第一章 用Java实现JVM之JVM的准备知识
第二章 用Java实现JVM之命令行工具
第三章 用Java实现JVM之查找Class文件
第四章 用Java实现JVM之解析class文件
第五章 用Java实现JVM之运行时数据区
第六章 用Java实现JVM之指令集和解释器
第七章 用Java实现JVM之类和对象
第八章 用Java实现JVM之方法调用和返回
第九章 用Java实现JVM之数组和字符串
第十章 用Java实现JVM之本地方法调用
第十一章 用Java实现JVM之异常处理
第十二章 用Java实现JVM之结束

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前言

    上一篇我们已经实现了本地方法，今天开启新的征程，继续往下。聚焦于异常处理

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异常

    从大的方向来看，Java 在运行过程中可能遇到的问题，主要可以划分为两大类：错误（Error） 和 异常（Exception）。这两者虽然在表现上可能都是程序运行中断，但它们的含义、产生原因、处理方式却截然不同。

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一、错误（Error）

    错误 通常指的是一些 严重的系统级问题，这些问题非程序本身能处理，一旦出现，基本就意味着 JVM 自身出了问题，程序无法继续运行。例如：

• OutOfMemoryError：内存溢出，JVM 无法为对象分配内存

• StackOverflowError：栈空间溢出，通常是无限递归调用导致

• VirtualMachineError：虚拟机内部错误，如 JIT 编译器 崩溃

  这类错误并不推荐用 try-catch 来捕获，也不建议也不可能完全恢复，更像是一种“致命信号”：程序可能已经无法继续安全运行。通常我们只能记录日志，或通知运维重启服务，根本原因往往是代码设计或配置不当，或者系统资源不足

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二、异常（Exception）

    相比之下，异常 则是 应用级别的问题，指程序运行过程中可预期、可以被捕获和处理的问题。它们一般不会导致整个 JVM 崩溃，但需要程序员显式处理。例如：

• NullPointerException：空指针异常。

• IOException：输入输出异常，文件或网络读取失败。

• SQLException：数据库操作时出错。

  在 Java 中，异常又被进一步分为两类：

1. 受检异常（Checked Exception）

• 特点：必须显示处理（编译期检查），否则编译器报错
• 常见场景：文件操作、数据库连接、网络通信等
• 例如：IOException、SQLException
• 解决方式：用 try-catch 捕获，或者用 throws 抛出

2. 非受检异常（Unchecked Exception）

• 特点：运行时才出现，不强制处理（编译期不报错）
• 通常是程序逻辑上的错误，如访问空对象、数组越界等
• 例如：NullPointerException、IndexOutOfBoundsException
• 解决方式：可以用 try-catch 捕获，也可以通过加强逻辑判断来避免

代码实现

    梳理完 Java 的异常体系后，回到现实的问题，JVM 要如何处理异常？在日常开发出，我们可能抛出来一个或多个异常，出现异常后也会打印出来报错的行数。异常发生时程序需要做什么，不妨再深入想一想：

• 当异常抛出时，它具体从哪里“冒出来”？
• 它是怎么被虚拟机捕获的？
• 处理异常的代码又是怎么被找到的？

    回想平时用到的 try-catch，它本质上就是一段告诉虚拟机： “如果在这段代码里出现了某种异常，跳转到这里处理它”。但虚拟机又是如何知道这其中的对应关系？经过前面一系列的洗礼，一旦出现多个XX，基本上都会存在一张表。异常也不例外。字节码文件里藏着一张“异常表”（Exception Table），这张表详细记录了每个 try-catch 的起止位置，以及能处理哪些异常类型。当执行到某条指令时，如果抛出了异常，虚拟机会查这张表，看看当前指令是否在某个 try 区间内；如果在，再根据异常类型找到对应的catch 块。如果找到，就调整程序计数器，跳转到对应的 catch 代码继续执行。如果找不到，说明当前方法不能处理，虚拟机就会弹出当前调用栈，回到调用它的方法，重复这个查找过程。直到找到处理代码，或者调用栈空了，异常传递无果，虚拟机才会把异常打印出来

    这样一来，异常的捕获与处理就像在字节码里有一个“地图”，告诉虚拟机：“遇到异常，去这里走。”同时，为了让错误提示更友好，定位到具体的源码行号，字节码中还有专门的“行号表”（LineNumberTable），将字节码指令的偏移量对应到源码的行号。当异常发生，虚拟机结合异常抛出的指令地址和行号表，就能告诉你报错的代码行在哪里。因为源代码中，很多东西是给人看的，不是给虚拟机看的。所以在编译的过程中会过滤掉这些，导致字节码的行号和源代码的行号对不上

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这就是 JVM 规范 对异常处理的基本设计：

• 异常表（Exception Table）
• 行号表（LineNumberTable）
• 程序计数器（PC）用于定位当前执行指令
• 调用栈帧的弹出与跳转机制

+-----------+----------+-------------+------------+
| start_pc  | end_pc   | handler_pc  | catch_type |
+-----------+----------+-------------+------------+
|    0      |   20     |     30      |  NumberFormatException |
+-----------+----------+-------------+------------+

异常处理表

    巴拉了这么多，先把字节码中的 异常处理表 解析出来再说。JMethod添加如下代码：

	private List<JMethodExceptionTable> catchExceptionTable;private List<JClassRef> throwExceptionTable;@Overrideprotected void newDescInfo(AttributeInfo attr, JClass jClass, List<ConstantPool> constantPool) {if (attr instanceof Code) {Code code = (Code) attr;this.setCode(code.getInstructionCode());this.setMaxStack(code.getMaxStack());this.setMaxLocals(code.getMaxLocals());resolveExceptionTable(code, constantPool);resolveAttrs(code, constantPool);} else if (attr instanceof Exceptions) {this.resolveExceptions((Exceptions) attr, constantPool);} else if (attr instanceof RuntimeVisibleParameterAnnotations) {RuntimeVisibleParameterAnnotations paramAnno = (RuntimeVisibleParameterAnnotations) attr;this.paramAnnos = paramAnno.getByteCodes();}}private void resolveExceptions(Exceptions ex, List<ConstantPool> constantPool) {List<Integer> indexList = ex.getExceptionIndexTable();if (CollectionUtils.isNotEmpty(indexList)) {for (Integer index : indexList) {JClassRef jClassRef = (JClassRef) constantPool.get(index).getVal();this.throwExceptionTable.add(jClassRef);}}}

athrow指令

    代码上的功能，对应到虚拟机都是由指令来完成。异常也是一样的。抛出异常的指令为athrow。整个指令的功能就是根据栈顶的异常对象，去异常表进行匹配。RefInstruction#execute()改动如下：

	case ATHROW: {//抛出异常信息JObject ref = popOperandStackRefVal();if (ref == null) {throw new NullPointerException();}while (!jThread.getJvmStack().isEmpty()) {//回到上一个指令int pc = jThread.getNextPc().get() - 1;int handlerPC = getJMethod().findExceptionHandler(ref.getJClass(), pc);if (handlerPC != -1) {getStackFrame().getOperandStack().getStack().clear();offerIncrement(handlerPC - 1);break;}jThread.getJvmStack().pop();}if (jThread.getJvmStack().isEmpty()) {JField jField = ref.getJClass().getJField("detailMessage", "Ljava/lang/String;");String msg = new String((char[]) ((JObject) (((JObject) ref.getField(jField.getSlotId()).getVal())).getFields()[0].getVal()).getData());System.err.println(ref.getJClass().getClassName() + ": " + msg);end();}break;}

异常打印

    异常信息的打印还需要本地方法支持。新增JThrowableNativeRegistry类，代码如下：

public class JThrowableNativeRegistry extends JNativeRegistry {private static final JThrowableNativeRegistry instance = new JThrowableNativeRegistry();static {registry("java/lang/Throwable", "fillInStackTrace", "(I)Ljava/lang/Throwable;", JThrowableNativeRegistry::fillInStackTrace);}protected static void fillInStackTrace(JThread jThread) {JObject ref = jThread.getJvmStack().getTop().getLocalVars().getRefVal(0);jThread.getJvmStack().pushOperandStackRefVal(ref);ref.setExtra(createStackTraceElements(ref, jThread));}protected static JStackTraceElement[] createStackTraceElements(JObject exJObject, JThread jThread) {int skip = distanceToObject(exJObject.getJClass()) + 2;StackFrame[] sfs = new StackFrame[jThread.getJvmStack().size() - skip];JStackTraceElement[] jstes = new JStackTraceElement[sfs.length];for (int i = 0; i < sfs.length; i++) {StackFrame sf = jThread.getJvmStack().elementAt(sfs.length - i - 1);JClass jc = sf.getJClass();JMethod jm = sf.getJMethod();JStackTraceElement ste = new JStackTraceElement(jc.getSourceFile(), jc.getClassName(), jm.getName(), jm.getLineNumber(sf.getReturnAddress().get() - 1));jstes[i] = ste;}return jstes;}private static int distanceToObject(JClass exJClass) {int distance = 0;for (JClass jc = exJClass.getSuperClass(); jc != null; jc = jc.getSuperClass()) {distance++;}return distance;}public static JThrowableNativeRegistry getInstance() {return instance;}/*** 虚拟机栈信息*/@Getter@Setter@NoArgsConstructor@AllArgsConstructorstaticclass JStackTraceElement {private String fileName;private String className;private String methodName;private Integer lineNumber;}
}

测试

    ok，接下来进入测试环节，验证今天的努力成果。新增ParseIntTest类，代码如下：

public class ParseIntTest {public static void main(String[] args) {foo(args);}private static void foo(String[] args) {try {bar(args);} catch (NumberFormatException e) {System.out.println(e.getMessage());}}private static void bar(String[] args) {if (args.length == 0) {throw new IndexOutOfBoundsException("no args!");}int x = Integer.parseInt(args[0]);System.out.println(x);}
}

在添加一个测试类，ExTest代码如下：

public class ExTest {public static void main(String[] args) {CmdCommand cmdCommand = new CmdCommand();cmdCommand.parseCmd(args);}
}

idea增加两个启动类，ExTest-normal配置如下：

-Xjre "D:\Oracle\Java\jdk1.8.0_281\jre" -cp "Z:\code\jjvm\ch10\target\test-classes" com.hqd.jjvm.ex.ParseIntTest aa bb

idea增加两个启动类，ExTest-ex配置如下：

-Xjre "D:\Oracle\Java\jdk1.8.0_281\jre" -cp "Z:\code\jjvm\ch10\target\test-classes" com.hqd.jjvm.ex.ParseIntTest

测试结果如下：

有参数的顺利打印出来参数，无参数的抛出了异常

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总结

    今天主要讲述异常处理，整个 JVM 的实现进度已经进入尾声了。。。