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JVM之方法返回地址详解

Posted in Java/Android onFebruary 28, 2022

JVM之方法返回地址

JVM运行时数据区的虚拟机栈的栈帧中包含了返回地址

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法。

第一种方式是执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（例如：areturn），这时候可能会有返回值传递给上层的方法调用者（调用当前方法的方法称为调用者），是否有返回值和返回值的类型将根据遇到何种方法返回指令来决定，这种退出方法的方式称为正常完成出口（Normal Method Invocation Completion）。
另外一种退出方式是，在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法体内得到处理，无论是Java虚拟机内部产生的异常，还是代码中使用 athrow 字节码指令产生的异常，只要在本方法的异常处理器表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出方法的方式称为异常完成出口（Abrupt Method Invocation Completion）。一个方法使用异常完成出口的方式退出，是不会给它的上层调用者产生任何返回值的。
无论采用何种退出方式，在方法退出之后，都需要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行，方法返回时可能需要在栈帧中保存一些信息，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。

一般来说，方法正常退出时，调用者的程序计数器的值可以作为返回地址，栈帧中很可能会保存这个计数器值。而方法异常退出时，返回地址是要通过异常处理器表来确定的，栈帧中一般不会保存这部分信息。

方法退出的过程实际上就等同于把当前栈帧出栈，因此退出时可能执行的操作有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值（如果有的话）压入调用者栈帧的操作数栈中，调整程序计数器的值以指向方法调用指令后面的一条指令等。

小结一下

虚拟机会使用针对每种返回类型的操作来返回，返回值将从操作数栈出栈并且入栈到调用方法的方法栈帧中，当前栈帧出栈，被调用方法的栈帧变成当前栈帧，程序计数器将重置为调用这个方法的指令的下一条指令。

方法返回地址以及栈帧中的附加信息

方法返回地址

1 点睛

存放调用该方法的 pc 寄存器的值。

一个方法的结束，有两种方式。

正常执行完成。
出现未处理的异常，非正常退出。

无论通过哪种方式退出，在方法退出后都返回到该方法被调用的位置。方法正常退出时，调用者的pc计数器的值作为返回地址，即调用该方法的指令的下一条指令的地址。而通过异常退出的，返回地址是要通过异常表来确定，栈帧中一般不会保存这部分信息。

当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法。

a 执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令（return），会有返回值传递给上层的方法调用者，简称正常完成出口。

一个方法在正常调用完成之后，究竟需要使用哪一个返回指令，还需要根据方法返回值的实际数据类型而定。
在字节码指令中，返回指令包含ireturn（当返回值是boolean，byte，char，short和int类型时使用），lreturn（Long类型），freturn（Float类型），dreturn（Double类型），areturn。另外还有一个return指令声明为void的方法，实例初始化方法，类和接口的初始化方法使用。

b 在方法执行过程中遇到异常（Exception），并且这个异常没有在方法内进行处理，也就是只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，简称异常完成出口。

方法执行过程中，抛出异常时的异常处理，存储在一个异常处理表，方便在发生异常的时候找到处理异常的代码

JVM之方法返回地址详解

2 看代码吧

import java.io.FileReader;
import java.io.IOException;
import java.util.Date; 
/**
* 返回指令包含ireturn（当返回值是 boolean、byte、char、short和int类型时使用）、
* lreturn、freturn、dreturn以及areturn，
* 另外还有一个return指令供声明为void的方法、
* 实例初始化方法、类和接口的初始化方法使用。
*/
public class ReturnAddressTest {
    public boolean methodBoolean() {
        return false;
    }
 
    public byte methodByte() {
        return 0;
    }
 
    public short methodShort() {
        return 0;
    }
 
    public char methodChar() {
        return 'a';
    }
 
    public int methodInt() {
        return 0;
    }
 
    public long methodLong() {
        return 0L;
    }
 
    public float methodFloat() {
        return 0.0f;
    }
 
    public double methodDouble() {
        return 0.0;
    }
 
    public String methodString() {
        return null;
    }
 
    public Date methodDate() {
        return null;
    }
 
    public void methodVoid() {
    } 
 
    static {
        int i = 10;
    }
 
    public void method2() {
        methodVoid();
        try {
            method1();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
 
    public void method1() throws IOException {
        FileReader fis = new FileReader("atguigu.txt");
        char[] cBuffer = new char[1024];
        int len;
        while ((len = fis.read(cBuffer)) != -1) {
            String str = new String(cBuffer, 0, len);
            System.out.println(str);
        }
        fis.close();
    }
}

3 解析后的结果

public boolean methodBoolean();
    descriptor: ()Z
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iconst_0
         1: ireturn
      LineNumberTable:
        line 15: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest;
 
  public byte methodByte();
    descriptor: ()B
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iconst_0
         1: ireturn
      LineNumberTable:
        line 19: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public short methodShort();
    descriptor: ()S
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iconst_0
         1: ireturn
      LineNumberTable:
        line 23: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public char methodChar();
    descriptor: ()C
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: bipush        97
         2: ireturn
      LineNumberTable:
        line 27: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       3     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public int methodInt();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: iconst_0
         1: ireturn
      LineNumberTable:
        line 31: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public long methodLong();
    descriptor: ()J
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: lconst_0
         1: lreturn
      LineNumberTable:
        line 35: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public float methodFloat();
    descriptor: ()F
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: fconst_0
         1: freturn
      LineNumberTable:
        line 39: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public double methodDouble();
    descriptor: ()D
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: dconst_0
         1: dreturn
      LineNumberTable:
        line 43: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public java.lang.String methodString();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aconst_null
         1: areturn
      LineNumberTable:
        line 47: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public java.util.Date methodDate();
    descriptor: ()Ljava/util/Date;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aconst_null
         1: areturn
      LineNumberTable:
        line 51: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       2     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public void methodVoid();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 56: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       1     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest; 
 
  public void method2();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokevirtual #2                  // Method methodVoid:()V
         4: aload_0
         5: invokevirtual #3                  // Method method1:()V
         8: goto          16
        11: astore_1
        12: aload_1
        13: invokevirtual #5                  // Method java/io/IOException.printStackTrace:()V
        16: return
      Exception table:
         from    to  target type
             4     8    11   Class java/io/IOException
      LineNumberTable:
        line 63: 0
        line 65: 4
        line 68: 8
        line 66: 11
        line 67: 12
        line 69: 16
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
           12       4     1     e   Ljava/io/IOException;
            0      17     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest;
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 75 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/io/IOException ]
        frame_type = 4 /* same */ 
 
  public void method1() throws java.io.IOException;
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=5, locals=5, args_size=1
         0: new           #6                  // class java/io/FileReader
         3: dup
         4: ldc           #7                  // String atguigu.txt
         6: invokespecial #8                  // Method java/io/FileReader."<init>":(Ljava/lang/String;)V
         9: astore_1
        10: sipush        1024
        13: newarray       char
        15: astore_2
        16: aload_1
        17: aload_2
        18: invokevirtual #9                  // Method java/io/FileReader.read:([C)I
        21: dup
        22: istore_3
        23: iconst_m1
        24: if_icmpeq     50
        27: new           #10                 // class java/lang/String
        30: dup
        31: aload_2
        32: iconst_0
        33: iload_3
        34: invokespecial #11                 // Method java/lang/String."<init>":([CII)V
        37: astore        4
        39: getstatic     #12                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        42: aload         4
        44: invokevirtual #13                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        47: goto          16
        50: aload_1
        51: invokevirtual #14                 // Method java/io/FileReader.close:()V
        54: return
      LineNumberTable:
        line 72: 0
        line 73: 10
        line 75: 16
        line 76: 27
        line 77: 39
        line 78: 47
        line 79: 50
        line 80: 54
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
           39       8     4   str   Ljava/lang/String;
            0      55     0  this   Lcom/atguigu/java3/ReturnAddressTest;
           10      45     1   fis   Ljava/io/FileReader;
           16      39     2 cBuffer   [C
           23      32     3   len   I
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 253 /* append */
          offset_delta = 16
          locals = [ class java/io/FileReader, class "[C" ]
        frame_type = 252 /* append */
          offset_delta = 33
          locals = [ int ]
    Exceptions:
      throws java.io.IOException
 
  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=0
         0: bipush        10
         2: istore_0
         3: return
      LineNumberTable:
        line 59: 0
        line 60: 3
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
}

说明

可以观察一下各种方法的 return 字节码指令到底是什么。

体会一下异常表。

Exception table:

from to target type

4 8 11 Class java/io/IOException

本质上，方法的退出就是当前栈帧出栈的过程。此时，需要恢复上层方法的局部变量表、操作数栈、将返回值压入调用者栈帧的操作数栈、设置PC寄存器值等，让调用者方法继续执行下去。

正常完成出口和异常完成出口的区别在于：通过异常完成出口退出的不会给他的上层调用者产生任何的返回值。

一些附加信息

栈帧中还允许携带与 Java 虚拟机实现相关的一些附加信息。例如：对程序调试提供支持的信息。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持三水点靠木。

JVM之方法返回地址详解

- Author -

_晓__

- Original Sources -

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