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卷起來，突破35歲焦慮，動畫演示CPU記錄函數調用過程

2022-07-05 09:45:00 【hi-dhl】

hi 大家好，我是 DHL。公眾號：ByteCode ，專注分享有趣硬核原創內容，Kotlin、Jetpack、性能優化、系統源碼、算法及數據結構、動畫、大廠面經

全文分為 視頻版 和 文字版，

視頻版：

通過語音和動畫，能够更加直觀的看到，內存記錄方法調用和返回過程。

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文字版

我們在寫代碼的時候有沒有思考過 方法如何調用 、 方法執行完之後如何返回 、 內存如何記錄方法調用過程 。而這也是今天這篇文章重點內容。

方法調用和返回過程涉及到了，虛擬機棧、程序計數器、局部變量錶、操作數棧、方法返回地址、動態鏈接等等內容，涉及到知識點很多，同時這些內容也是高頻面試題，所以我將拆分成多篇文章，針對每個知識點去做詳細的分析。而今天這篇文章我們重點去看內存是如何記錄方法調用和返回過程。

虛擬機棧

Java 方法以棧幀的形式，運行在虛擬機棧（Java 棧）中，棧是線程私有的，程序啟動的時候，會創建一個 main 線程，操作系統會為每一個線程分配一段內存，線程創建的時候會創建一個虛擬機棧，虛擬機棧的生命周期和線程一樣，線程結束了，虛擬機棧也銷毀了。

每個 Java 方法，對應一個個棧幀，所以方法開始和結束，都是一個個棧幀入棧和出棧的過程，效果如下圖所示。

棧幀

每個 Java 方法，都是一個個棧幀，每個棧幀包括了：局部變量錶、操作數棧、方法返回地址、動態鏈接、附加信息。

局部變量錶： 保存方法參數列錶和方法內的局部變量，按照聲明的順序存儲，它以數組的形式展示，如果是實例方法，索引為 0 是 this 的引用，如下圖所示。

索引（Slot）	名字（Name）
0	this
1	num
2	res

操作數棧： 保存方法執行過程中的臨時結果
返回地址： 保存調用該方法的 pc 寄存器的值（即 JVM 指令地址），用於方法結束時，返回調用處，讓調用者方法繼續執行下去
動態鏈接： 指向運行時常量池中該棧幀所屬方法的引用，即從常量池中找到目標方法的符號引用，然後轉換為直接引用
~~附加信息：比如程序 debug 時添加的一些附件信息（不重要，不需要關心，可忽略）~~

這裏只需要知道它們的作用即可，它們的數據結構、字節碼的含義、執行過程等等，後續的文章我將會針對每個知識點去做詳細的分析。

方法調用過程

先寫一段方法調用的代碼，首先會調用 main() 方法之後調用 fun1() 然後調用 fun2() ，如下圖所示。

現在我們來演示一下 Java 虛擬機執行這些 JVM 指令的過程，首先會調用 main () 方法。

main () 方法

main() 方法執行流程動畫效果如下所示。

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-ApkZcRTw-1654832156342)(https://img.hi-dhl.com/16541790180176.gif)]

執行指令 0: aload_0，從局部變量錶中，讀取索引為 0 的值，壓入操作數棧中，因為是實例方法，所以索引為 0 的值是 this 的引用

執行指令 1: iconst_5 ，將常量 5 壓入操作數棧中

執行指令 2: invokevirtual #7，常量 5 和 this 從操作數棧中出棧，然後調用 this.fun1(5)

首先從常量池中找到方法 fun1() 的符號引用，然後通過動態鏈接將符號引用轉換成直接引用，之後調用 this.fun1(5)，將方法 fun1() 作為棧幀壓入虛擬機棧中，跳轉到 fun1()，繼續往下執行。

如何從常量池中找到目標方法的符號引用，然後轉換成直接引用的過程，將會在後面系列文章中詳細分析

在調用 fun1() 之前，fun1() 的局部變量錶和方法返回地址已經確定好了。

進入方法 fun1 (int num)

方法 fun1(int num) 執行流程動畫效果如下所示。

執行指令 0: aload_0，從局部變量錶中，讀取索引為 0 的值，壓入操作數棧中。因為是實例方法，所以索引為 0 的值是 this 的引用

執行指令 1: iload_1，從局部變量錶中，讀取索引為 1 變量 num 的值，並壓入操作數棧

執行指令 2: invokevirtual #13，num 和 this 從操作數棧中出棧，然後調用 this.fun2(num)

首先從常量池中找到方法 fun2() 的符號引用，然後通過動態鏈接將符號引用轉換成直接引用，之後調用 this.fun2(num)，將方法 fun2() 作為棧幀壓入虛擬機棧中，跳轉到 fun2()，繼續往下執行，調用 fun2() 之前，fun2() 的局部變量錶和方法返回地址已經確定好了。

進入方法 fun2 (int num)

方法 fun2(int num) 執行流程動畫效果如下所示。

執行指令 0: iload_1，從局部變量錶中，讀取索引為 1 變量 num 的值，並壓入操作數棧中

執行指令 1: bipush ，將常量 10 壓入操作數棧中

執行指令 3: iadd ，num 和常量 10 從操作數棧中出棧，然後進行相加，將結果壓入操作數棧中

執行指令 4: istore_2，從操作數棧中取出結果，並賦值給局部變量錶中索引為 2 的變量 res2

執行指令 5: iload_2，從局部變量錶中，讀取索引為 2 的變量 res2 的值，並壓入操作數棧中

方法退出過程

每個方法即是一個棧幀，每個棧幀會保存方法返回地址，執行 return 系列指令時，會根據當前棧幀保存的返回地址，返回到調用的比特置，繼續往下執行。因此會分為兩種情况。

异常退出

如果出現了异常且捕獲了該异常，則會從异常錶裏查找 PC 寄存器的地址（JVM 指令地址），返回調用處繼續執行。

正常退出時會做以下件事

恢複上一個棧幀局部變量錶、操作數棧
如果有返回值，將返回值壓入調用者棧幀的操作數棧，是否有返回值根據 return JVM 指令：
- ireturn ：返回值是 boolean 、 byte 、 char 、 short 和 int 類型
- lreturn ：返回值是 Long 類型
- freturn ：返回值是 Float 類型
- dreturn ：返回值是 Double 類型
- areturn ：返回值是引用類型
- return ：返回值類型為 void
設置調用者棧幀的 JVM 指令地址
當前棧幀從虛擬機棧中出棧

這篇文章我們只分析正常退出流程，异常退出和正常退出的流程大致都是一樣的。正常退出流程動畫效果如下所示。

方法 fun2 結束時，執行最後一條指令 ireturn ，當前棧幀從虛擬機棧中出棧，根據當前棧幀保存的方法返回地址，返回到 fun1 ，恢複 fun1 的局部變量錶、操作數棧，將返回結果 res2 保存到調用者（fun1）操作數棧中

回到方法 fun1(int num) ，執行指令 5: istore_2，變量 res2 從操作數中出棧，賦值給局部變量錶中索引為 2 的變量 res1

執行指令 6: iload_2 ，從局部變量錶中，讀取索引為 2 變量 res1 的值，並壓入操作數棧中

執行方法 fun1 最後一條指令 7: ireturn，當前棧幀從虛擬機棧中出棧，根據當前棧幀保存的方法返回地址，返回到 main 方法，恢複 main 方法的局部變量錶、操作數棧，將返回結果 res2 保存到調用者（main）操作數棧中

最後回到方法 main 中，執行最後一條指令 5: pop，操作數棧中的元素出棧

執行最後一條指令 6: return，至此所有的方法調用結束了，方法所占用的內存，也將返回給系統

每次的方法調用，即是棧幀入棧和出棧的過程，同時也需要占用部分內存，用於保存局部變量錶、操作數棧、方法返回地址、動態鏈接、附加信息等等。

當方法執行完，即棧幀出棧，方法調用所占用的內存，也將返回給系統。

全文到這裏就結束了，感謝你的閱讀，如果有幫助，歡迎 在看 、 點贊 、 收藏 、 分享 給身邊的朋友。

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