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自己动手写JVM十二【运行时数据区（二）】

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本章我们来重点分析下局部变量表和操作数栈，并测试本章代码。

局部变量表和操作数栈实例详解

下面以圆形的周长为例进行分析，首先简单的Java代码如下：

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public class Math {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(circumference(1.6f));
    }
    public static float circumference(float r) {
        float pi = 3.14f;
        float c = 2 * pi * r;
        return c;
    }
}

编译该类，class文件如下图所示：
jvmgo_29
可以看出circumference()方法的局部变量表max_locals大小是3，操作数栈max_stack深度是2。再使用javap -c对代码进行反汇编来查看运行指令：

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cd ~/IdeaProjects/jvmgo/java
mvn clean compile
cd target/classes/cn/didadu
javap -c Math
输出如下
public class cn.didadu.Math {
  ...
  public static float circumference(float);
    Code:
       0: ldc           #6                  // float 3.14f
       2: fstore_1
       3: fconst_2
       4: fload_1
       5: fmul
       6: fload_0
       7: fmul
       8: fstore_2
       9: fload_2
      10: freturn
}

假设调用可以看出circumference()方法时，传递给它的参数时1.6f，方法开始执行前，栈帧的状态如下图：
jvmgo_30
第一条指令是ldc，它把3.14f推入栈顶，此时栈帧状态如下图所示：
jvmgo_31
注意一下，图上把局部变量表和操作数栈过去的状态也列出来了，最下面一条时当前状态。下一条指令是fstore_1，它把栈顶的3.14f弹出，放到#1号局部变量中，栈帧的状态如图所示：
jvmgo_32
第三条指令fconst_2把2.0f推到栈顶，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_33
第四条指令fload_1把#1号局部变量推入栈顶（更确切地说应该是复制），栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_34
由于fload_1指令是把3.14f复制到栈顶，所以3.14f在局部变量表中。下一条指令是fmul，它把栈顶的两个浮点数弹出、相乘，然后再把结果推入栈顶，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_35
第六条指令fload_0指令把#0号局部变量推入栈顶，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_36
第七条指令fmul，继续把栈顶的两个浮点数弹出、相乘，然后再把结果推入栈顶，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_37
第八条指令fload_2把操作数栈顶的float值弹出，放入#2号局部变量表，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_38
第九条指令fload_2把#2号局部变量推入操作数栈顶，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_39
最后freturn指令把操作数栈顶的float变量弹出，返回给方法调用者，，栈帧的状态如下图所示：
jvmgo_40

我们大致理了一下circumference()方法的运行过程，后面会学到更多的Java虚拟机指令集。不过，上述第八条和第九条指令集好像做了无用功，下面我们尝试调整下circumference()方法：

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public static float circumference(float r) {
    float pi = 3.14f;
    //float c = 2 * pi * r;
    return  2 * pi * r;
}

此时再看运行指令：

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public static float circumference(float);
   Code:
      0: ldc           #6                  // float 3.14f
      2: fstore_1
      3: fconst_2
      4: fload_1
      5: fmul
      6: fload_0
      7: fmul
      8: freturn

可以看出少了原来的第八条、第九条指令，不管从哪个角度看，少两条指令总归是好的吧，看来以后写代码能注意就注意。

测试

本节简单测试局部变量表和操作数栈，修改main.go文件：

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// 测试局部变量表
func testLocalVars(vars rtdata.LocalVars) {
	vars.SetInt(0, 100)
	vars.SetInt(1, -100)
	vars.SetLong(2, 2997924580)
	vars.SetLong(4, -2997924580)
	...
	println(vars.GetInt(0))
	println(vars.GetInt(1))
	println(vars.GetLong(2))
	println(vars.GetLong(4))
	...
}
// 测试操作数栈
func testOperandStack(ops *rtdata.OperandStack) {
	ops.PushInt(100)
	ops.PushInt(-100)
	ops.PushLong(2997924580)
	ops.PushLong(-2997924580)
	...
	println(ops.PopLong())
	println(ops.PopLong())
	println(ops.PopInt())
	println(ops.PopInt())
    ...
}
// 模拟启动JVM
func startJVM(cmd *cmd.Cmd) {
	frame := rtdata.NewFrame(100, 100)
	testLocalVars(frame.LocalVars())
	testOperandStack(frame.OperandStack())
}

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cd /home/zhangjing/IdeaProjects/jvmgo/go
go install cn.didadu/jvmgo
./bin/jvmgo String
#输出如下：
100
-100
2997924580
-2997924580
...
0x0
0x0
+2.718282e+000
+3.141593e+000
...

运行时数据区的学习暂且就到这里，我们初步实现了Tread、Stack、Frame、OperandStack和LocalVars等线程私有的运行时数据区。