第11篇-认识Stub与StubQueue

Posted 2021-12-15 深入剖析Java虚拟机

在 第10篇-初始化模板表 我们介绍过TemplateInterpreter::initialize()函数，在这个函数中会调用TemplateTable::initialize()函数初始化模板表，随后会使用new关键字初始化定义在AbstractInterpreter类中的_code静态属性，如下：

static StubQueue* _code; 

由于TemplateInterpreter继承自AbstractInterpreter，所以在TemplateInterpreter中初始化的_code属性其实就是AbstractInterpreter类中定义的_code属性。

在initialize()函数中初始化_code变量的代码如下：

// InterpreterCodeSize是在平台相关
// 的templateInterpreter_x86.hpp中
// 定义的，64位下是256 * 1024
int code_size = InterpreterCodeSize;
_code = new StubQueue(
                new InterpreterCodeletInterface, 
                code_size, 
                NULL,
                "Interpreter");

StubQueue是用来保存生成的本地代码的Stub队列，队列每一个元素对应一个InterpreterCodelet对象，InterpreterCodelet对象继承自抽象基类Stub，包含了字节码对应的本地代码以及一些调试和输出信息。下面我们介绍一下StubQueue类及相关类Stub、InterpreterCodelet类和CodeletMark类。

1、InterpreterCodelet与Stub类

Stub类的定义如下：

class Stub VALUE_OBJ_CLASS_SPEC  ... ;

InterpreterCodelet类继承自Stub类，具体的定义如下：

class InterpreterCodelet: public Stub 
 private:
  int                _size;         // the size in bytes
  const char*        _description;  // a description of the codelet, for debugging & printing
  Bytecodes::Code    _bytecode;     // associated bytecode if any

 public:
  // Code info
  address code_begin() const  
     return (address)this + round_to(sizeof(InterpreterCodelet), CodeEntryAlignment);
  
  address code_end() const 
     return (address)this + size();
  

  int size() const 
     return _size;
  
  // ...
  int code_size() const  
     return code_end() - code_begin();  
  
  // ...
;

InterpreterCodelet实例存储在StubQueue中，每个InterpreterCodelet实例都代表一段机器指令（包含了字节码对应的机器指令片段以及一些调试和输出信息），如每个字节码都有一个InterpreterCodelet实例，所以在解释执行时，如果要执行某个字节码，则执行的就是由InterpreterCodelet实例代表的机器指令片段。

类中定义了3个属性及一些函数，其内存布局如下图所示。

在对齐至CodeEntryAlignment后，紧接着InterpreterCodelet的就是生成的目标代码。

2、StubQueue类

StubQueue是用来保存生成的本地机器指令片段的Stub队列，队列每一个元素都是一个InterpreterCodelet实例。

StubQueue类的定义如下：

class StubQueue: public CHeapObj<mtCode> 
 private:
  StubInterface* _stub_interface;     // the interface prototype
  address        _stub_buffer;        // where all stubs are stored

  int            _buffer_size;       // the buffer size in bytes
  int            _buffer_limit;      // the (byte) index of the actual buffer limit (_buffer_limit <= _buffer_size)

  int            _queue_begin;       // the (byte) index of the first queue entry (word-aligned)
  int            _queue_end;         // the (byte) index of the first entry after the queue (word-aligned)

  int            _number_of_stubs;   // the number of buffered stubs

  bool is_contiguous() const 
      return _queue_begin <= _queue_end;
  
  int index_of(Stub* s) const 
      int i = (address)s - _stub_buffer;
      return i;
  
  Stub* stub_at(int i) const 
      return (Stub*)(_stub_buffer + i);
  
  Stub* current_stub() const 
      return stub_at(_queue_end);
  

  // ...

这个类的构造函数如下：

StubQueue::StubQueue(
 StubInterface* stub_interface,  // InterpreterCodeletInterface对象
 int            buffer_size,     // 256*1024
 Mutex*         lock,
 const char*    name) : _mutex(lock)

  intptr_t     size = round_to(buffer_size, 2*BytesPerWord); // BytesPerWord的值为8
  BufferBlob*  blob = BufferBlob::create(name, size); // 在StubQueue中创建BufferBlob对象

  _stub_interface  = stub_interface;

  _buffer_size     = blob->content_size();
  _buffer_limit    = blob->content_size();
  _stub_buffer     = blob->content_begin();

  _queue_begin     = 0;
  _queue_end       = 0;
  _number_of_stubs = 0;

stub_interface用来保存一个InterpreterCodeletInterface类型的实例，InterpreterCodeletInterface类中定义了操作Stub的函数，避免了在Stub中定义虚函数。每个StubQueue都有一个InterpreterCodeletInterface，可以通过这个来操作StubQueue中存储的每个Stub实例。

调用BufferBlob::create()函数为StubQueue分配内存，这里我们需要记住StubQueue用的内存是通过BufferBlob分配出来的，也就是BufferBlob其本质可能是一个StubQueue。下面就来详细介绍下create()函数。

BufferBlob* BufferBlob::create(const char* name, int buffer_size) 
  // ...
  BufferBlob*    blob = NULL;
  unsigned int   size = sizeof(BufferBlob);

  // align the size to CodeEntryAlignment
  size = align_code_offset(size);
  size += round_to(buffer_size, oopSize); // oopSize是一个指针的宽度，在64位上就是8

  
     MutexLockerEx mu(CodeCache_lock, Mutex::_no_safepoint_check_flag);
     blob = new (size) BufferBlob(name, size);
  

  return blob;

通过new关键字为BufferBlob分配内存，new重载运算符如下：

void* BufferBlob::operator new(size_t s, unsigned size, bool is_critical) throw() 
  void* p = CodeCache::allocate(size, is_critical);
  return p;

从codeCache中分配内存，CodeCache使用的是本地内存，有自己的内存管理办法，在后面将会详细介绍。
StubQueue的布局结构如下图所示。

队列中的InterpreterCodelet表示一个小例程，比如iconst_1对应的机器码，invokedynamic对应的机器码，异常处理对应的代码，方法入口点对应的代码，这些代码都是一个个InterpreterCodelet。整个解释器都是由这些小块代码例程组成的，每个小块例程完成解释器的部分功能，以此实现整个解释器。
系列文章：
（1）第1篇-关于Java虚拟机HotSpot，开篇说的简单点
（2）第2篇-JVM虚拟机这样来调用Java主类的main()方法
（3）第3篇-CallStub新栈帧的创建
（4）第4篇-JVM终于开始调用Java主类的main()方法啦
（5）第5篇-调用Java方法后弹出栈帧及处理返回结果
（6）第6篇-Java方法新栈帧的创建
（7）第7篇-为Java方法创建栈帧
（8）第8篇-dispatch_next()函数分派字节码
（9）第9篇-字节码指令的定义
（10）第10篇-初始化模板表

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