JVM--异常捕获及查阅字节码

作者: _fatef | 来源:发表于2018-10-09 10:45 被阅读0次

异常的基本概念

在Java 语言规范中，所有异常都是 Throwable 类或其子类的实例。 Throwable 有两大直接子类。
1. Error： 涵盖程序不应捕获的异常。当程序触发 Error 时，它的执行状态已经无法恢复，需要中止线程甚至中止虚拟机。
2. Exception：涵盖程序可能需要捕获并且处理的异常。
  Exception 有一个特殊子类 RuntimeException，用来表示“程序虽然无法继续执行，但是还能抢救一下”的情况。
异常实例的构造十分昂贵。这是由于在构造异常实例时，Java虚拟机便需要生成该异常的栈轨迹（stack trace）。该操作会逐一访问当前线程的 Java 栈帧，并且记录下各种调试信息，包括栈帧所指向方法的名字，方法所在类名、文件名，以及在代码中第几行触发该异常。

JVM如何捕获异常

在编译生成的字节码中，每个方法都附带一个异常表。异常表中的每一个条目代表一个异常处理器，并且由 from 指针、to 指针、target 指针以及所捕获的异常类型构成。这些指针的值是字节码索引（bytecode index，bci），用以定位字节码。
from 指针和 to 指针标示了该异常处理器所监控的起始位置。target 指针则指向异常处理器的起始位置。


public static void main(String[] args) {
  try {
    mayThrowException();
  } catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
  }
}
// 对应的 Java 字节码
public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
    0: invokestatic mayThrowException:()V
    3: goto 11
    6: astore_1
    7: aload_1
    8: invokevirtual java.lang.Exception.printStackTrace
   11: return
  Exception table:
    from  to target type
      0   3   6  Class java/lang/Exception  // 异常表条目

编译过后，该方法的异常表拥有一个条目。其 from 指针和 to 指针分别为 0 和 3，代表它的监控范围从索引为 0 的字节码开始，到索引为 3 的字节码结束（不包括 3）。该条目的 target 指针是 6，代表这个异常处理器总索引为 6 的字节码开始。条目的最后一列，代表异常处理器所捕获的异常类型正是 Exception。

当程序触发异常时， JVM 会从上至下遍历异常表中的所有条目。当触发异常的字节码的索引值在某个异常表条目的监控范围内，JVM会判断所抛出的异常和该条目想要捕获的异常是否匹配。如果匹配，JVM 会将控制流转移至该条目 target 指针指向的字节码。

javap：查阅Java 字节码

如下代码

public class Foo {
  private int tryBlock;
  private int catchBlock;
  private int finallyBlock;
  private int methodExit;

  public void test() {
    try {
      tryBlock = 0;
    } catch (Exception e) {
      catchBlock = 1;
    } finally {
      finallyBlock = 2;
    }
    methodExit = 3;
  }
}

编译之后，使用javap 来查阅 Foo.test 方法的字节码

$ javac Foo.java
$ javap -p -v Foo
Classfile ../Foo.class
  Last modified ..; size 541 bytes
  MD5 checksum 3828cdfbba56fea1da6c8d94fd13b20d
  Compiled from "Foo.java"
public class Foo
  minor version: 0
  major version: 54
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #7                          // Foo
  super_class: #8                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 4, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #7.#24         // Foo.tryBlock:I
   #3 = Fieldref           #7.#25         // Foo.finallyBlock:I
   #4 = Class              #26            // java/lang/Exception
   #5 = Fieldref           #7.#27         // Foo.catchBlock:I
   #6 = Fieldref           #7.#28         // Foo.methodExit:I
   #7 = Class              #29            // Foo
   #8 = Class              #30            // java/lang/Object
   #9 = Utf8               tryBlock
  #10 = Utf8               I
  #11 = Utf8               catchBlock
  #12 = Utf8               finallyBlock
  #13 = Utf8               methodExit
  #14 = Utf8               <init>
  #15 = Utf8               ()V
  #16 = Utf8               Code
  #17 = Utf8               LineNumberTable
  #18 = Utf8               test
  #19 = Utf8               StackMapTable
  #20 = Class              #31            // java/lang/Throwable
  #21 = Utf8               SourceFile
  #22 = Utf8               Foo.java
  #23 = NameAndType        #14:#15        // "<init>":()V
  #24 = NameAndType        #9:#10         // tryBlock:I
  #25 = NameAndType        #12:#10        // finallyBlock:I
  #26 = Utf8               java/lang/Exception
  #27 = NameAndType        #11:#10        // catchBlock:I
  #28 = NameAndType        #13:#10        // methodExit:I
  #29 = Utf8               Foo
  #30 = Utf8               java/lang/Object
  #31 = Utf8               java/lang/Throwable
{
  private int tryBlock;
    descriptor: I
    flags: (0x0002) ACC_PRIVATE

  private int catchBlock;
    descriptor: I
    flags: (0x0002) ACC_PRIVATE

  private int finallyBlock;
    descriptor: I
    flags: (0x0002) ACC_PRIVATE

  private int methodExit;
    descriptor: I
    flags: (0x0002) ACC_PRIVATE

  public Foo();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: iconst_0
         2: putfield      #2                  // Field tryBlock:I
         5: aload_0
         6: iconst_2
         7: putfield      #3                  // Field finallyBlock:I
        10: goto          35
        13: astore_1
        14: aload_0
        15: iconst_1
        16: putfield      #5                  // Field catchBlock:I
        19: aload_0
        20: iconst_2
        21: putfield      #3                  // Field finallyBlock:I
        24: goto          35
        27: astore_2
        28: aload_0
        29: iconst_2
        30: putfield      #3                  // Field finallyBlock:I
        33: aload_2
        34: athrow
        35: aload_0
        36: iconst_3
        37: putfield      #6                  // Field methodExit:I
        40: return
      Exception table:
         from    to  target type
             0     5    13   Class java/lang/Exception
             0     5    27   any
            13    19    27   any
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 13: 5
        line 14: 10
        line 10: 13
        line 11: 14
        line 13: 19
        line 14: 24
        line 13: 27
        line 14: 33
        line 15: 35
        line 16: 40
      StackMapTable: number_of_entries = 3
        frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/Exception ]
        frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 7 /* same */
}
SourceFile: "Foo.java"

注：javap 默认会打印所有非私有的字段和方法，加上 -p 选项，它还打印私有的字段和方法。 -v 选项会尽可能地打印所有信息。若只查阅对应的字节码，可用 -c来替换 -v。

基本信息，涵盖了原 class 文件的相关信息
class 文件的版本号（minor version: 0，major version: 54），该类的访问权限（flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER），该类（this_class: #7）以及父类（super_class:#8)的名字等等。

Classfile ../Foo.class
  Last modified ..; size 541 bytes
  MD5 checksum 3828cdfbba56fea1da6c8d94fd13b20d
  Compiled from "Foo.java"
public class Foo
  minor version: 0   
  major version: 54
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #7                          // Foo
  super_class: #8                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 4, methods: 2, attributes: 1

常量池，用来存放各种常量以及符号引用。
常量池中的每一项都有一个对应的索引（如 #1），并且可能引其他的常量池项（#1 = Methodref #8.#23）。

Constant pool:
   #1 = Methodref          #8.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
... 
   #8 = Class              #30            // java/lang/Object
...
  #14 = Utf8               <init>
  #15 = Utf8               ()V
...
  #23 = NameAndType        #14:#15        // "<init>":()V
...
  #30 = Utf8               java/lang/Object

可以将其看成一个树结构，如下：

字段区域，用来列举该类中的各个字段
最主要的信息是该字段的类型（descriptor:I）以及访问权限 (flags:(0x0002)ACC_PRIVATE)。对于final 的静态字段而言，如果它是基本类型或者字符串类型，那么字段区域还将包括它的常量值。

  private int tryBlock;
    descriptor: I
    flags: (0x0002) ACC_PRIVATE

方法区域，用来列举该类中的各个方法。
处理方法描述符以及访问权限之外，每个方法还包括最为重要的代码区域（Code:）.

  public void test();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: aload_0
         1: iconst_0
         2: putfield      #2                  // Field tryBlock:I
         5: aload_0
         6: iconst_2
         7: putfield      #3                  // Field finallyBlock:I
        10: goto          35
        13: astore_1
        14: aload_0
        15: iconst_1
        16: putfield      #5                  // Field catchBlock:I
        19: aload_0
        20: iconst_2
        21: putfield      #3                  // Field finallyBlock:I
        24: goto          35
        27: astore_2
        28: aload_0
        29: iconst_2
        30: putfield      #3                  // Field finallyBlock:I
        33: aload_2
        34: athrow
        35: aload_0
        36: iconst_3
        37: putfield      #6                  // Field methodExit:I
        40: return
      Exception table:
         from    to  target type
             0     5    13   Class java/lang/Exception
             0     5    27   any
            13    19    27   any
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 13: 5
        line 14: 10
        line 10: 13
        line 11: 14
        line 13: 19
        line 14: 24
        line 13: 27
        line 14: 33
        line 15: 35
        line 16: 40
      StackMapTable: number_of_entries = 3
        frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/Exception ]
        frame_type = 77 /* same_locals_1_stack_item */
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 7 /* same */

代码区域一开始会声明方法中的操作数栈（stack=2）和局部变量数目（locals=3）的最大值，以及该方法接收参数的个数（args_size=1）。（此处的局部变量是指字节码中的局部变量而非Java 程序中的局部变量）

JVM--异常捕获及查阅字节码

异常的基本概念

JVM如何捕获异常

javap：查阅Java 字节码

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