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读郑雨迪《深入拆解Java虚拟机》 -

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本文转自https://time.geekbang.org/column/article/12134


众所周知,异常处理的两大组成要素是抛出异常和捕获异常。这两大要素共同实现程序控制流的非正常转移


抛出异常可分为显示隐式两种。显示抛异常的主体是应用程序,它指的是在程序中使用“throw”关键字,手动将异常实例抛出。隐式?异常的主体则是Java虚拟机,它指的是Java虚拟机在执行过程中,碰到无法继续执行的异常状态,自动抛出异常。比如,Java虚拟机在执行读取数组操作时,发现输入的索引值是负数,故而抛出数组索引越界异常(ArrayIndexOutOfBoundsException)


捕获异常这涉及了如下三种代码块:


    try代码块:用来标记需要进行异常监控的代码。catch代码块:跟在try代码块之后,用来捕获在try代码块中触发的某种指定类型的异常。除了声明所捕获异常的类型之外,catch代码块还定义了针对该异常类型的异常处理器。在Java中,try代码块后面可以跟着多个catch代码块,来捕获不同类型的异常。Java虚拟机会从上至下匹配异常处理器。因此,前面的catch代码块所捕获的异常类型不能覆盖后边的,否则编译器会报错。finally代码块:跟在try代码块和catch代码块之后,用来声明一段必定运行的代码。它的设计初衷是为了避免跳过某些关键的清理代码,例如关闭已打开的系统资源。

在程序正常执行的情况下,这段代码会在try代码块之后运行。否则,也就是try代码块触发异常的情况下,如果该异常没有被捕获,finally代码块会直接执行,并且在运行之后重新抛出该异常。


如果该异常被catch代码块捕获,finally代码块则在catch代码块之后运行。在某些不幸的情况下,catch代码同样也触发了异常,那么finally代码块同样会运行,并会抛出catch代码块触发的异常。在某些极端不幸的情况下,finally代码块也触发了异常,那么只好中断当前finally代码块的执行,并往外抛异常、


异常的基本概念

在Java语言规范中,所有异常都是Throwable类或者其子类的实例。Throwable有两大直接子类。


Error,涵盖程序不应捕获的异常。当程序触发Error时,它的执行状态无法恢复,需要中止线程甚至是中止虚拟机。Exception,涵盖程序可能需要捕获并且处理的异常。Exception有一个特殊的子类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。前边提到的数组索引越界异常便是其中的一种。


RuntimeException和Error属于Java里的非检查异常(unchecked exception)其他异常则属于检查异常(checked exception)。在Java语法中,所有的检查异常都需要程序员先显式地捕获,或者在方法声明中用throws关键字标注。通常情况下,程序中自定义的异常因为检查异常,以便最大化利用Java编译器的编译时检查。


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,包括栈帧所指向的方法的名字,方法所在的类名、文件名,以及在代码中的第几行触发该异常。


当然,在生成栈轨迹时,Java虚拟机会忽略掉异常构造器以及填充栈帧的Java方法(Throwable.fillInStackTrace),直接从新建异常位置开始算起。此外,Java虚拟机还会忽略标记为不可见的Java方法栈帧。


既然异常实例的构造十分昂贵,我们是否可以缓存异常实例,在需要用到的时候直接抛出呢?从语法角度上来看,这是允许的。然而,该异常对应的栈轨迹并非throw语句的位置,而是新建异常的位置。因此,这种做法可能会误导开发人员,使其定位到错误的位置。这也是为什么在实践中,我们往往选择抛出新建异常实例的原因。


Java虚拟机是如何捕获异常的

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都代表一个异常处理器,并且由from指令、to指令、target指令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。


其中,from指针和to指针标示了该异常处理器所监控的范围,例如try代码所覆盖的范围。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 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从索引6的字节码开始。条目的最后一列,代表该异常处理器所捕获的异常类型正是Exception。


当程序触发异常是,Java虚拟机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监控范围内,Java虚拟机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,Java虚拟机会将控制流转移至该条目target指针指向的字节码。


如果遍历完所有异常表条目,Java虚拟机仍未匹配到异常处理器,那么它会弹出当前方法对应的Java栈帧,并且在调用者(caller)中重复上述操作。在最坏情况下,Java虚拟机需要遍历当前线程Java栈上所有方法的异常表。


finally代码块的编译比较复杂。当前版本Java编译器的做法,是复制finally代码块的内容,分别放在try-catch代码块所有正常执行路径以及异常执行路径的出口中。



针对异常执行路径,Java编译器会生成一个或多个异常表条目,监控整个try-catch代码块,并且捕获所有种类的异常(在javap中以any指代)。这些异常表条目的target指针将指向另一份复制的finally代码块。并且,在这个finally代码块的最后,Java编译器会重新抛出所捕获的异常。


我们可以使用javap工具来查看下面这段包含了try-catch-finally代码块的编译结果。为了更好地区分每个代码块,我们定义了四个实例字段:tryBlock、catchBlock、finallyBlock以及methodExit,并且仅在对应的代码块中访问这些字段。


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;
}
}

然后编译并查看其字节码


javac Foo.java
javap -c Foo
Compiled from "Foo.java"
public class Foo {
public Foo();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return

public void test();
Code:
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
}

可以看到,便以结果包含三份finally代码块。其中,前两份分别位于try代码块和catch代码块的正常执行路径出口。最后一份则作为异常处理器,监控try代码块以及catch代码块。它将捕获try代码块触发的、未被catch代码块捕获的异常,以及catch代码块触发的异常。


如果catch代码块捕获了异常,并且触发了另一个异常,那么finally捕获并且重?的异常是哪个呢?答案是后者。也就是说原本的异常便会被忽略掉,这对于代码调试来说十分不利。


Java 7?的 Supressed?异常以及语法糖

Java 7?引入了Supressed异常来解决这个问题。这个新特性允许开发人员将一个异常附于另一个异常之上。因此,抛出的异常可以附带多个异常信息。


然而,Java层面的finally代码块缺少指向所捕获异常的引用,所以这个新特性使用起来十分繁琐。


为此,Java 7?专门构造了一个名为try-with-resources的语法糖,在字节码层面自动使用Supressed异常。当然,该语法糖的主要目的并不是使用Supressed异常,而是精简资源打开关闭的用法。


在Java 7?之前,对于打开的资源,我们需要定义一个finally代码块,来确保该资源在正常或者异常执行状况下都能关闭。


资源的关闭操作本身容易触发异常。因此,如果同时打开多个资源,那么每一个资源都要对应一个独立的try-finally代码块,以保证每个资源都能够关闭。这样一来,代码将会变得十分繁琐。


FileInputStream in0 = null;
FileInputStream in1 = null;
FileInputStream in2 = null;
...
try{
in0 = new FileInputStream(new File("in0.txt"));
...
try{
in1 = new FileInputStream(new File("in1.txt"));
...
try{
in2 = new FileInputStream(new File("in2.txt"));
...
} finally{
if(in2 != null)
in2.close();
}
}
finally{
if(in1 != null)
in1.close();
}
} finally{
if(in0 != null)
in0.close();
}

Java 7?的try-with-resources语法糖极大地简化了上述代码。程序可以在try关键字后声明并实例化实现了AutoCloseable接口的类,编译器将自动添加对应的close()操作。在声明多个AutoCloseable?实例的情况下,编译生成的字节码类似于上面手工编写代码的编译结果。与手工代码相比,try-with-resources还会使用Supressed异常的功能,来避免原异常“被消失”。


public class Foo implements AutoCloseable {
private final String name;
public Foo(String name) {
this.name = name;
}

@Override
public void close(){
throw new RuntimeException(name);
}

public static void main(String[] args) {
try (Foo foo0 = new Foo("Foo0"); //try-with-resources
Foo foo1 = new Foo("Foo1");
Foo foo2 = new Foo("Foo2")) {
throw new RuntimeException("Initial");
}
}
}

运行结果如下:


javac Foo.java
java Foo
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: Initial
at Foo.main(Foo.java:16)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo2
at Foo.close(Foo.java:9)
at Foo.main(Foo.java:17)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo1
at Foo.close(Foo.java:9)
at Foo.main(Foo.java:17)
Suppressed: java.lang.RuntimeException: Foo0
at Foo.close(Foo.java:9)
at Foo.main(Foo.java:17)

除了 try-with-resources语法糖之外,Java 7?还支持在同一catch代码块中捕获多种异常。实际实现非常简单,生成多个异常表条目即可。


//在同一 catch 代码块中捕获多种异常
try {
...
} catch (SomeException | OtherException e) {
...
}

编写Java源代码


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

public void test(){
for (int i = 0; i < 100; i++){
try{
tryBlock = 0;
if(i < 50){
continue;
}else if(i < 80){
break;
}else {
return;
}
} catch(Exception e){
catchBlock = 1;
} finally{
finallyBlock = 2;
}
}
methodExit = 3;
}
}

编译并查看其字节码


javac Foo.java
javap -c Foo
Compiled from "Foo.java"
public class Foo {
public Foo();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."":()V
4: return

public void test();
Code:
0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 100
5: if_icmpge 75
8: aload_0
9: iconst_0
10: putfield #2 // Field tryBlock:I
13: iload_1
14: bipush 50
16: if_icmpge 27
19: aload_0
20: iconst_2
21: putfield #3 // Field finallyBlock:I
24: goto 69
27: iload_1
28: bipush 80
30: if_icmpge 41
33: aload_0
34: iconst_2
35: putfield #3 // Field finallyBlock:I
38: goto 75
41: aload_0
42: iconst_2
43: putfield #3 // Field finallyBlock:I
46: return
47: astore_2
48: aload_0
49: iconst_1
50: putfield #5 // Field catchBlock:I
53: aload_0
54: iconst_2
55: putfield #3 // Field finallyBlock:I
58: goto 69
61: astore_3
62: aload_0
63: iconst_2
64: putfield #3 // Field finallyBlock:I
67: aload_3
68: athrow
69: iinc 1, 1
72: goto 2
75: aload_0
76: iconst_3
77: putfield #6 // Field methodExit:I
80: return
Exception table:
from to target type
8 19 47 Class java/lang/Exception
27 33 47 Class java/lang/Exception
8 19 61 any
27 33 61 any
47 53 61 any
}

由此可见,finally代码块被拷贝到了?if语句的每个分支之后(如果分支中有return语句,则在该语句之前)
此文从极客时间专栏《深入理解Java虚拟机》搬运而来,撰写此文的目的:

    对自己的学*总结归纳 此篇文章对想深入理解Java虚拟机的人来说是非常不错的文章,希望大家支持一下郑老师。



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