java應用程序的啟動在在/hotspot/src/share/tools/launcher/java.c的main()函數中，而在虛擬機初始化過程中，將創建并啟動Java的Main線程。最后將調用JNIEnv的CallStaticVoidMethod()來執行main方法。
CallStaticVoidMethod()對應的jni函數為jni_CallStaticVoidMethod，定義在/hotspot/src/share/vm/PRims/jni.cpp中，而jni_CallStaticVoidMethod()又調用了jni_invoke_static()，jni_invoke_static()通過JavaCalls的call()發起對Java方法的調用
所有來自虛擬機對Java函數的調用最終都將由JavaCalls模塊來完成，JavaCalls將通過call_helper()來執行Java方法并返回調用結果，并最終調用StubRoutines::call_stub()來執行Java方法：
1 // do call 2 { JavaCallWrapper link(method, receiver, result, CHECK); 3 { HandleMark hm(thread); // HandleMark used by HandleMarkCleaner 4 5 StubRoutines::call_stub()( 6 (address)&link, 7 // (intptr_t*)&(result->_value), // see NOTE above (compiler problem) 8 result_val_address, // see NOTE above (compiler problem) 9 result_type,10 method(),11 entry_point,12 args->parameters(),13 args->size_of_parameters(),14 CHECK15 );16 17 result = link.result(); // circumvent MS C++ 5.0 compiler bug (result is clobbered across call)18 // Preserve oop return value across possible gc points19 if (oop_result_flag) {20 thread->set_vm_result((oop) result->get_jobject());21 }22 }23 }
call_stub()定義在/hotspot/src/share/vm/runtime/stubRoutines.h中，實際上返回的就是CallStub函數指針_call_stub_entry，該指針指向call_stub的匯編實現的目標代碼指令地址，即call_stub的例程入口。
// Calls to Java typedef void (*CallStub)( address link, intptr_t* result, BasicType result_type, methodOopDesc* method, address entry_point, intptr_t* parameters, int size_of_parameters, TRAPS ); static CallStub call_stub() { return CAST_TO_FN_PTR(CallStub, _call_stub_entry); }
在分析call_stub的匯編代碼之前，先了解下x86寄存器和棧幀以及函數調用的相關知識。
x86-64的所有寄存器都是與機器字長(數據總線位寬)相同，即64位的，x86-64將x86的8個32位通用寄存器擴展為64位(eax、ebx、ecx、edx、eci、edi、ebp、esp)，并且增加了8個新的64位寄存器(r8-r15)，在命名方式上，也從”exx”變為”rxx”，但仍保留”exx”進行32位操作，下表描述了各寄存器的命名和作用
此外，還有16個128位的XMM寄存器，分別為xmm0-15，x84-64的寄存器遵循調用約定(Calling Conventions)：
https://msdn.microsoft.com/en-US/library/zthk2dkh(v=vs.80).aspx
1.參數傳遞：
(1).前4個參數的int類型分別通過rcx、rdx、r8、r9傳遞，多余的在棧空間上傳遞(從右向左依次入棧)，寄存器所有的參數都是向右對齊的(低位對齊)
(2).浮點數類型的參數通過xmm0-xmm3傳遞，注意不同類型的參數占用的寄存器序號是根據參數的序號來決定的，比如add(int,double,float,int)就分別保存在rcx、xmm1、xmm2、r9寄存器中
(3).8/16/32/64類型的結構體或共用體和_m64類型將使用rcx、rdx、r8、r9直接傳遞，而其他類型將會通過指針引用的方式在這4個寄存器中傳遞
(4).被調用函數當需要時要把寄存器中的參數移動到?？臻g中(shadow space)
2.返回值傳遞
(1).對于可以填充為64位的返回值(包括_m64)將使用rax進行傳遞
(2).對于_m128(i/d)以及浮點數類型將使用xmm0傳遞
(3).對于64位以上的返回值，將由調用函數在棧上為其分配空間，并將其指針保存在rcx中作為”第一個參數”，而傳入參數將依次右移，最后函數調用完后，由rax返回該空間的指針
(4).用戶定義的返回值類型長度必須是1、2、4、8、16、32、64
3.調用者/被調用者保存寄存器
調用者保存寄存器：rax、rcx、rdx、r8-r11都認為是易失型寄存器(volatile)，這些寄存器隨時可能被用到，這些寄存器將由調用者自行維護，當調用其他函數時，被調用函數對這些寄存器的操作并不會影響調用函數(即這些寄存器的作用范圍僅限于當前函數)。
被調用者保存寄存器：rbx、rbp、rdi、rsi、r12-r15、xmm6-xmm15都是非易失型寄存器(non-volatile)，調用其他函數時，這些寄存器的值可能在調用返回時還需要用，那么被調用函數就必須將這些寄存器的值保存起來，當要返回時，恢復這些寄存器的值(即這些寄存器的作用范圍是跨函數調用的)。
以如下程序為例，分析函數調用的棧幀布局：
1 double func(int param_i1, float param_f1, double param_d1, int param_i2, double param_d2) 2 3 { 4 int local_i1, local_i2; 5 float local_f1; 6 double local_d1; 7 double local_d2 = 3.0; 8 local_i1 = param_i1; 9 local_i2 = param_i2;10 local_f1 = param_f1;11 local_d1 = param_d1;12 return local_d1 + local_f1 * (local_i2 - local_i1) - param_d2 + local_d2;13 }14 15 int main()16 17 {18 double res;19 res = func(1, 1.0, 2.0, 3, 3.0);20 return 0;21 }
main函數調用func之前的匯編代碼如下：
main: pushq %rbp //保存rbp .seh_pushreg %rbp movq %rsp, %rbp //更新?；?/span> .seh_setframe %rbp, 0 subq $80, %rsp .seh_stackalloc 80 //main棧需要80字節的?？臻g .seh_endprologue call __main movabsq $4611686018427387904, %rdx //0x4000000000000000，即浮點數2.0 movabsq $4613937818241073152, %rax //0x3000000000000000，即浮點數3.0 movq %rax, 32(%rsp) //第5個參數3.0，即param_d2保存在棧空間上 movl $3, %r9d //第4個參數3，即param_i2保存在r9d中(r9的低32位) movq %rdx, -24(%rbp) movsd -24(%rbp), %xmm2 //第3個參數2.0，即param_d1保存在xmm2中 movss .LC2(%rip), %xmm1 //第2個參數1.0(0x3f800000),保存在xmm1中 movl $1, %ecx //第1個參數1，保存在ecx中(rcx的低32位) call func
func函數返回后，main函數將從xmm0中取出返回結果
call func movq %xmm0, %rax //保存結果 movq %rax, -8(%rbp) movl $0, %eax //清空eax，回收main棧，恢復棧頂地址 addq $80, %rsp popq %rbp ret
func函數的棧和操作數準備如下：
func: pushq %rbp //保存rbp(main函數棧的基址) .seh_pushreg %rbp movq %rsp, %rbp //將main棧的棧頂指針作為被調用函數的?；?/span> .seh_setframe %rbp, 0 subq $32, %rsp //func棧需要32字節的?？臻g .seh_stackalloc 32 .seh_endprologue movl %ecx, 16(%rbp) //將4個參數移動到棧底偏移16-40的空間(main棧的shadow space) movss %xmm1, 24(%rbp) movsd %xmm2, 32(%rbp) movl %r9d, 40(%rbp) movabsq $4613937818241073152, %rax //本地變量local_d2，即浮點數3.0 movq %rax, -8(%rbp) //5個局部變量 movl 16(%rbp), %eax movl %eax, -12(%rbp) movl 40(%rbp), %eax movl %eax, -16(%rbp) movl 24(%rbp), %eax movl %eax, -20(%rbp) movq 32(%rbp), %rax movq %rax, -32(%rbp)
隨后的func的運算過程如下：
movl -16(%rbp), %eax //local_i2 - local_i1 subl -12(%rbp), %eax pxor %xmm0, %xmm0 //準備xmm0寄存器,按位異或，xmm0清零 cvtsi2ss %eax, %xmm0 mulss -20(%rbp), %xmm0 //local_f1 * (local_i2 - local_i1) cvtss2sd %xmm0, %xmm0 addsd -32(%rbp), %xmm0 //local_d1 + local_f1 * (local_i2 - local_i1) subsd 48(%rbp), %xmm0 //local_d1 + local_f1 * (local_i2 - local_i1) - param_d2 addsd -8(%rbp), %xmm0 //local_d1 + local_f1 * (local_i2 - local_i1) - param_d2 + local_d2 addq $32, %rsp //回收func棧，恢復棧頂地址 popq %rbp ret
根據以上代碼分析，大概得出該程序調用棧結構：
這里沒有考慮func函數再次調用其他函數而準備操作數的棧內容的情況，但結合main函數棧，大致可以得出棧的通用結構如下：
call_stub由generate_call_stub()解釋成匯編代碼，有興趣的可以繼續閱讀call_stub的匯編代碼進行分析。
下面對call_stub的匯編部分進行分析：
先來看下call_stub的調用棧結構：(注：本文實驗是在windows_64位平臺上實現的)
// Call stubs are used to call Java from C // return_from_Java 是緊跟在call *%eax后面的那條指令的地址 // [ return_from_Java ] <--- rsp // -28 [ arguments ] <-- rbp - 0xe8 // -26 [ saved xmm15 ] <-- rbp - 0xd8 // -24 [ saved xmm14 ] <-- rbp - 0xc8 // -22 [ saved xmm13 ] <-- rbp - 0xb8 // -20 [ saved xmm12 ] <-- rbp - 0xa8 // -18 [ saved xmm11 ] <-- rbp - 0x98 // -16 [ saved xmm10 ] <-- rbp - 0x88 // -14 [ saved xmm9 ] <-- rbp - 0x78 // -12 [ saved xmm8 ] <-- rbp - 0x68 // -10 [ saved xmm7 ] <-- rbp - 0x58 // -9 [ saved xmm6 ] <-- rbp - 0x48 // -7 [ saved r15 ] <-- rbp - 0x38 // -6 [ saved r14 ] <-- rbp - 0x30 // -5 [ saved r13 ] <-- rbp - 0x28 // -4 [ saved r12 ] <-- rbp - 0x20 // -3 [ saved rdi ] <-- rbp - 0x18 // -2 [ saved rsi ] <-- rbp - 0x10 // -1 [ saved rbx ] <-- rbp - 0x8 // 0 [ saved rbp ] <--- rbp, // 1 [ return address ] <--- rbp + 0x08 // 2 [ ptr. to call wrapper ] <--- rbp + 0x10 // 3 [ result ] <--- rbp + 0x18 // 4 [ result_type ] <--- rbp + 0x20 // 5 [ method ] <--- rbp + 0x28 // 6 [ entry_point ] <--- rbp + 0x30 // 7 [ parameters ] <--- rbp + 0x38 // 8 [ parameter_size ] <--- rbp + 0x40 // 9 [ thread ] <--- rbp + 0x48
1.根據函數調用棧的結構：
在被調函數棧幀的棧底 %rbp + 8(棧地址向下增長，堆地址向上增長，棧底的正偏移值指向調用函數棧幀內容)保存著被調函數的傳入參數，這里即：
JavaCallWrapper指針、返回結果指針、返回結果類型、被調用方法的methodOop、被調用方法的解釋代碼的入口地址、參數地址、參數個數。
StubRoutines::call_stub [0x0000000002400567, 0x00000000024006cb[ (356 bytes) //保存bp 0x0000000002400567: push %rbp //更新棧頂地址 0x0000000002400568: mov %rsp,%rbp //call_stub需要的棧空間大小為0xd8 0x000000000240056b: sub $0xd8,%rsp
2.rcx、rdx、r8d、r9d分別保存著傳入call_stub的前4個參數，現在需要將其復制到棧上的shadow space中
//分別使用rcx、rdx、r8、r9來保存第1、2、3、4個參數，多出來的其他參數用?？臻g來傳遞 //使用xmm0-4來傳遞第1-4個浮點數參數 //這里將參數復制到棧空間，這樣call_stub的所有參數就在rbp + 0x10 ~ 0x48?？臻g上 0x0000000002400572: mov %r9,0x28(%rbp) 0x0000000002400576: mov %r8d,0x20(%rbp) 0x000000000240057a: mov %rdx,0x18(%rbp) 0x000000000240057e: mov %rcx,0x10(%rbp)
3.將被調用者保存寄存器的值壓入call_stub棧中：
;; save registers: //依次保存rbx、rsi、rdi這三個被調用者保存的寄存器，隨后保存r12-r15、XMM寄存器組xmm6-xmm15 0x0000000002400582: mov %rbx,-0x8(%rbp) 0x0000000002400586: mov %r12,-0x20(%rbp) 0x000000000240058a: mov %r13,-0x28(%rbp) 0x000000000240058e: mov %r14,-0x30(%rbp) 0x0000000002400592: mov %r15,-0x38(%rbp) 0x0000000002400596: vmovdqu %xmm6,-0x48(%rbp) 0x000000000240059b: vmovdqu %xmm7,-0x58(%rbp) 0x00000000024005a0: vmovdqu %xmm8,-0x68(%rbp) 0x00000000024005a5: vmovdqu %xmm9,-0x78(%rbp) 0x00000000024005aa: vmovdqu %xmm10,-0x88(%rbp) 0x00000000024005b2: vmovdqu %xmm11,-0x98(%rbp) 0x00000000024005ba: vmovdqu %xmm12,-0xa8(%rbp) 0x00000000024005c2: vmovdqu %xmm13,-0xb8(%rbp) 0x00000000024005ca: vmovdqu %xmm14,-0xc8(%rbp) 0x00000000024005d2: vmovdqu %xmm15,-0xd8(%rbp) 0x00000000024005da: mov %rsi,-0x10(%rbp) 0x00000000024005de: mov %rdi,-0x18(%rbp) //棧底指針的0x48偏移保存著thread對象，0x6d01a2c3(%rip)為異常處理入口 0x00000000024005e2: mov 0x48(%rbp),%r15 0x00000000024005e6: mov 0x6d01a2c3(%rip),%r12 # 0x000000006f41a8b0
4.call_stub的參數保存著Java方法的參數，現在就需要將參數壓入call_stub棧中
/棧底指針的0x40偏移保存著參數的個數 0x00000000024005ed: mov 0x40(%rbp),%r9d //若參數個數為0，則直接跳轉0x000000000240060d準備調用Java方法 0x00000000024005f1: test %r9d,%r9d 0x00000000024005f4: je 0x000000000240060d //若參數個數不為0，則遍歷參數，將所有參數壓入本地棧 //其中棧底指針的0x38偏移保存著參數的地址，edx將用作循環的迭代器 0x00000000024005fa: mov 0x38(%rbp),%r8 0x00000000024005fe: mov %r9d,%edx ;; loop: //從第一個參數開始，將Java方法的參數壓人本地棧 /* * i = parameter_size; //確保不等于0 * do{ * push(parameter[i]); * i--; * }while(i!=0); */ 0x0000000002400601: mov (%r8),%rax 0x0000000002400604: add $0x8,%r8 0x0000000002400608: dec %edx 0x000000000240060a: push %rax 0x000000000240060b: jne 0x0000000002400601
5.調用Java方法的解釋代碼
;; prepare entry: //棧底指針的0x28和0x30偏移分別保存著被調用Java方法的methodOop指針和解釋代碼的入口地址 0x000000000240060d: mov 0x28(%rbp),%rbx 0x0000000002400611: mov 0x30(%rbp),%rdx 0x0000000002400615: mov %rsp,%r13 //保存棧頂指針 ;; jump to run Java method: 0x0000000002400618: callq *%rdx
6.準備保存返回結果，這里需要先根據不同的返回類型取出返回結果，然后保存到返回結果指針所指向的位置
;; prepare to save result: //棧底指針的0x18和0x20偏移分別保存著返回結果的指針和結果類型 0x000000000240061a: mov 0x18(%rbp),%rcx 0x000000000240061e: mov 0x20(%rbp),%edx ;; handle result accord to different result_type: 0x0000000002400621: cmp $0xc,%edx 0x0000000002400624: je 0x00000000024006b7 0x000000000240062a: cmp $0xb,%edx 0x000000000240062d: je 0x00000000024006b7 0x0000000002400633: cmp $0x6,%edx 0x0000000002400636: je 0x00000000024006bc 0x000000000240063c: cmp $0x7,%edx 0x000000000240063f: je 0x00000000024006c2 ;; save result for the other result_type: 0x0000000002400645: mov %eax,(%rcx)
下面分別為返回結果類型為long、float、double的情況
;; long 類型返回結果保存: 0x00000000024006b7: mov %rax,(%rcx) 0x00000000024006ba: jmp 0x0000000002400647 ;; float 類型返回結果保存: 0x00000000024006bc: vmovss %xmm0,(%rcx) 0x00000000024006c0: jmp 0x0000000002400647 ;; double 類型返回結果保存: 0x00000000024006c2: vmovsd %xmm0,(%rcx) 0x00000000024006c6: jmpq 0x0000000002400647
7.被調用者保存寄存器的恢復，以及棧指針的復位
;; restore registers: 0x0000000002400647: lea -0xd8(%rbp),%rsp 0x000000000240064e: vmovdqu -0xd8(%rbp),%xmm15 0x0000000002400656: vmovdqu -0xc8(%rbp),%xmm14 0x000000000240065e: vmovdqu -0xb8(%rbp),%xmm13 0x0000000002400666: vmovdqu -0xa8(%rbp),%xmm12 0x000000000240066e: vmovdqu -0x98(%rbp),%xmm11 0x0000000002400676: vmovdqu -0x88(%rbp),%xmm10 0x000000000240067e: vmovdqu -0x78(%rbp),%xmm9 0x0000000002400683: vmovdqu -0x68(%rbp),%xmm8 0x0000000002400688: vmovdqu -0x58(%rbp),%xmm7 0x000000000240068d: vmovdqu -0x48(%rbp),%xmm6 0x0000000002400692: mov -0x38(%rbp),%r15 0x0000000002400696: mov -0x30(%rbp),%r14 0x000000000240069a: mov -0x28(%rbp),%r13 0x000000000240069e: mov -0x20(%rbp),%r12 0x00000000024006a2: mov -0x8(%rbp),%rbx 0x00000000024006a6: mov -0x18(%rbp),%rdi 0x00000000024006aa: mov -0x10(%rbp),%rsi ;; back to old(caller) stack frame: 0x00000000024006ae: add $0xd8,%rsp //棧頂指針復位 0x00000000024006b5: pop %rbp //棧底指針復位 0x00000000024006b6: retq
歸納出call_stub棧結構如下：
8.對于不同的Java方法，虛擬機在初始化時會生成不同的方法入口例程
(method entry point)來準備棧幀，這里以較常被使用的zerolocals方法入口為例，分析Java方法的棧幀結構與調用過程，入口例程目標代碼的產生在InterpreterGenerator::generate_normal_entry()中：
(1).根據之前的分析，初始的棧結構如下：
獲取傳入參數數量到rcx中：
address InterpreterGenerator::generate_normal_entry(bool synchronized) { // determine code generation flags bool inc_counter = UseCompiler || CountCompiledCalls; // ebx: methodOop // r13: sender sp address entry_point = __ pc(); const Address size_of_parameters(rbx, methodOopDesc::size_of_parameters_offset()); const Address size_of_locals(rbx, methodOopDesc::size_of_locals_offset()); const Address invocation_counter(rbx, methodOopDesc::invocation_counter_offset() + InvocationCounter::counter_offset()); const Address access_flags(rbx, methodOopDesc::access_flags_offset()); // get parameter size (always needed) __ load_unsigned_short(rcx, size_of_parameters);
其中methodOop指針被保存在rbx中，調用Java方法的sender sp被保存在r13中，參數大小保存在rcx中
(2).獲取局部變量區的大小，保存在rdx中，并減去參數數量，將除參數以外的局部變量數量保存在rdx中(雖然參數作為局部變量是方法的一部分，但參數由調用者提供，這些參數應有調用者棧幀而非被調用者棧幀維護，即被調用者棧幀只需要維護局部變量中除了參數的部分即可)
// rbx: methodOop // rcx: size of parameters // r13: sender_sp (could differ from sp+WordSize if we were called via c2i ) __ load_unsigned_short(rdx, size_of_locals); // get size of locals in words __ subl(rdx, rcx); // rdx = no. of additional locals
(3).對?？臻g大小進行檢查，判斷是否會發生棧溢出
// see if we've got enough room on the stack for locals plus overhead. generate_stack_overflow_check();
(4).獲取返回地址，保存在rax中(注意此時棧頂為調用函數call指令后下一條指令的地址)
// get return address __ pop(rax);
(5).由于參數在棧中由低地址向高地址是以相反的順序存放的，所以第一個參數的地址應該是 rsp+rcx*8-8(第一個參數地址范圍為 rsp+rcx*8-8 ~ rsp+rcx*8)，將其保存在r14中
// compute beginning of parameters (r14) __ lea(r14, Address(rsp, rcx, Address::times_8, -wordSize))
(6).為除參數以外的局部變量分配?？臻g，若這些局部變量數量為0，那么就跳過這一部分處理，否則，將壓入 maxlocals - param_size個0，以初始化這些局部變量
//該部分為一個loop循環// rdx - # of additional locals // allocate space for locals // explicitly initialize locals { Label exit, loop; __ testl(rdx, rdx); __ jcc(Assembler::lessEqual, exit); // do nothing if rdx <= 0 __ bind(loop); __ push((int) NULL_WORD); // initialize local variables __ decrementl(rdx); // until everything initialized __ jcc(Assembler::greater, loop); __ bind(exit); }
這時棧的層次如下：
(7).將方法的調用次數保存在rcx/ecx中
// (pre-)fetch invocation count if (inc_counter) { __ movl(rcx, invocation_counter); }
(8).初始化當前方法的棧幀
// initialize fixed part of activation frame generate_fixed_frame(false);
generate_fixed_frame()的實現如下：
__ push(rax); // save return address __ enter(); // save old & set new rbp __ push(r13); // set sender sp __ push((int)NULL_WORD); // leave last_sp as null __ movptr(r13, Address(rbx, methodOopDesc::const_offset())); // get constMethodOop __ lea(r13, Address(r13, constMethodOopDesc::codes_offset())); // get codebase __ push(rbx);
保存返回地址，為被調用的Java方法準備棧幀，并將sender sp指針、last_sp(設置為0)壓入棧，根據methodOop的constMethodOop成員將字節碼指針保存到r13寄存器中，并將methodOop壓入棧
} else { __ push(0); //methodData } __ movptr(rdx, Address(rbx, methodOopDesc::constants_offset())); __ movptr(rdx, Address(rdx, constantPoolOopDesc::cache_offset_in_bytes())); __ push(rdx); // set constant pool cache __ push(r14); // set locals pointer if (native_call) { __ push(0); // no bcp } else { __ push(r13); // set bcp } __ push(0); // reserve word for pointer to expression stack bottom __ movptr(Address(rsp, 0), rsp); // set expression stack bottom}
將methodData以0為初始值壓入棧，根據methodOop的ConstantPoolOop成員將常量池緩沖地址壓入棧，r14中保存著局部變量區(第一個參數的地址)指針，將其壓入棧，此外如果調用的是native調用，那么字節碼指針部分為0，否則正常將字節碼指針壓入棧，最后為棧留出一個字的表達式棧底空間，并更新rsp
最后棧的空間結構如下：
(9).增加方法的調用計數
// increment invocation count & check for overflow Label invocation_counter_overflow; Label profile_method; Label profile_method_continue; if (inc_counter) { generate_counter_incr(&invocation_counter_overflow, &profile_method, &profile_method_continue); if (ProfileInterpreter) { __ bind(profile_method_continue); } }
(當調用深度過大會拋出StackOverFlow異常)
(10).同步方法的Monitor對象分配和方法的加鎖(在匯編部分分析中沒有該部分，如果對同步感興趣的請自行分析)
if (synchronized) { // Allocate monitor and lock method lock_method();
(11).JVM工具接口部分
// jvmti support __ notify_method_entry();
(12).跳轉到第一條字節碼的本地代碼處執行
__ dispatch_next(vtos);
以上分析可能略顯復雜，但重要的是明白方法的入口例程是如何為Java方法構造新的棧幀，從而為字節碼的運行提供調用棧環境。
method entry point匯編代碼的分析可以參考隨后的一篇文章。
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