Java Main如何被执行？

　　java应用程序的启动在在/hotspot/src/share/tools/launcher/java.c的main()函数中，而在虚拟机初始化过程中，将创建并启动Java的Main线程。最后将调用JNIEnv的CallStaticVoidMethod()来执行main方法。

CallStaticVoidMethod()对应的jni函数为jni_CallStaticVoidMethod，定义在/hotspot/src/share/vm/prims/jni.cpp中，而jni_CallStaticVoidMethod()又调用了jni_invoke_static()，jni_invoke_static()通过JavaCalls的call()发起对Java方法的调用

　　所有来自虚拟机对Java函数的调用最终都将由JavaCalls模块来完成，JavaCalls将通过call_helper()来执行Java方法并返回调用结果，并最终调用StubRoutines::call_stub()来执行Java方法：

// do call
{ JavaCallWrapper link(method, receiver, result, CHECK);
{ HandleMark hm(thread);  // HandleMark used by HandleMarkCleaner

StubRoutines::call_stub()(
(address)&link,
// (intptr_t*)&(result->_value), // see NOTE above (compiler problem)
result_val_address,          // see NOTE above (compiler problem)
result_type,
method(),
entry_point,
args->parameters(),
args->size_of_parameters(),
CHECK
);

result = link.result();  // circumvent MS C++ 5.0 compiler bug (result is clobbered across call)
// Preserve oop return value across possible gc points
if (oop_result_flag) {
thread->set_vm_result((oop) result->get_jobject());
}
}
}

　　call_stub()定义在/hotspot/src/share/vm/runtime/stubRoutines.h中，实际上返回的就是CallStub函数指针_call_stub_entry，该指针指向call_stub的汇编实现的目标代码指令地址，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的汇编代码之前，先了解下x86寄存器和栈帧以及函数调用的相关知识。
　　x86-64的所有寄存器都是与机器字长(数据总线位宽)相同，即64位的，x86-64将x86的8个32位通用寄存器扩展为64位(eax、ebx、ecx、edx、eci、edi、ebp、esp)，并且增加了8个新的64位寄存器(r8-r15)，在命名方式上，也从”exx”变为”rxx”，但仍保留”exx”进行32位操作，下表描述了各寄存器的命名和作用



此外，还有16个128位的XMM寄存器，分别为xmm0-15，x84-64的寄存器遵循调用约定(Calling Conventions)：

https://msdn.microsoft.com/en-US/library/zthk2dkh(v=vs.80).aspx
1.参数传递：
　　(1).前4个参数的int类型分别通过rcx、rdx、r8、r9传递，多余的在栈空间上传递(从右向左依次入栈)，寄存器所有的参数都是向右对齐的(低位对齐)
　　(2).浮点数类型的参数通过xmm0-xmm3传递，注意不同类型的参数占用的寄存器序号是根据参数的序号来决定的，比如add(int,double,float,int)就分别保存在rcx、xmm1、xmm2、r9寄存器中
　　(3).8/16/32/64类型的结构体或共用体和_m64类型将使用rcx、rdx、r8、r9直接传递，而其他类型将会通过指针引用的方式在这4个寄存器中传递
　　(4).被调用函数当需要时要把寄存器中的参数移动到栈空间中(shadow space)
2.返回值传递
　　(1).对于可以填充为64位的返回值(包括_m64)将使用rax进行传递
　　(2).对于_m128(i/d)以及浮点数类型将使用xmm0传递
　　(3).对于64位以上的返回值，将由调用函数在栈上为其分配空间，并将其指针保存在rcx中作为”第一个参数”，而传入参数将依次右移，最后函数调用完后，由rax返回该空间的指针
　　(4).用户定义的返回值类型长度必须是1、2、4、8、16、32、64
3.调用者/被调用者保存寄存器
　　调用者保存寄存器：rax、rcx、rdx、r8-r11都认为是易失型寄存器(volatile)，这些寄存器随时可能被用到，这些寄存器将由调用者自行维护，当调用其他函数时，被调用函数对这些寄存器的操作并不会影响调用函数(即这些寄存器的作用范围仅限于当前函数)。
　　被调用者保存寄存器：rbx、rbp、rdi、rsi、r12-r15、xmm6-xmm15都是非易失型寄存器(non-volatile)，调用其他函数时，这些寄存器的值可能在调用返回时还需要用，那么被调用函数就必须将这些寄存器的值保存起来，当要返回时，恢复这些寄存器的值(即这些寄存器的作用范围是跨函数调用的)。

　　以如下程序为例，分析函数调用的栈帧布局：

double func(int param_i1, float param_f1, double param_d1, int param_i2, double param_d2)

{
int local_i1, local_i2;
float local_f1;
double local_d1;
double local_d2 = 3.0;
local_i1 = param_i1;
local_i2 = param_i2;
local_f1 = param_f1;
local_d1 = param_d1;
return local_d1 + local_f1 * (local_i2 - local_i1) - param_d2 + local_d2;
}

int main()

{
double res;
res = func(1, 1.0, 2.0, 3, 3.0);
return 0;
}

main函数调用func之前的汇编代码如下：

main:
pushq   %rbp            //保存rbp
.seh_pushreg    %rbp
movq    %rsp, %rbp      //更新栈基址
.seh_setframe   %rbp, 0
subq    $80, %rsp
.seh_stackalloc 80      //main栈需要80字节的栈空间
.seh_endprologue
call    __main
movabsq $4611686018427387904, %rdx //0x4000000000000000，即浮点数2.0
movabsq $4613937818241073152, %rax //0x3000000000000000，即浮点数3.0
movq    %rax, 32(%rsp)          //第5个参数3.0，即param_d2保存在栈空间上
movl    $3, %r9d               //第4个参数3，即param_i2保存在r9d中(r9的低32位)
movq    %rdx, -24(%rbp)
movsd   -24(%rbp), %xmm2        //第3个参数2.0，即param_d1保存在xmm2中
movss   .LC2(%rip), %xmm1       //第2个参数1.0(0x3f800000),保存在xmm1中
movl    $1, %ecx               //第1个参数1，保存在ecx中(rcx的低32位)
call    func

func函数返回后，main函数将从xmm0中取出返回结果

call    func
movq    %xmm0, %rax             //保存结果
movq    %rax, -8(%rbp)
movl    $0, %eax               //清空eax，回收main栈，恢复栈顶地址
addq    $80, %rsp
popq    %rbp
ret

func函数的栈和操作数准备如下：

func:
pushq   %rbp        //保存rbp(main函数栈的基址)
.seh_pushreg    %rbp
movq    %rsp, %rbp      //将main栈的栈顶指针作为被调用函数的栈基址
.seh_setframe   %rbp, 0
subq    $32, %rsp  //func栈需要32字节的栈空间
.seh_stackalloc 32
.seh_endprologue
movl    %ecx, 16(%rbp)  //将4个参数移动到栈底偏移16-40的空间(main栈的shadow space)
movss   %xmm1, 24(%rbp)
movsd   %xmm2, 32(%rbp)
movl    %r9d, 40(%rbp)

movabsq $4613937818241073152, %rax //本地变量local_d2，即浮点数3.0
movq    %rax, -8(%rbp)  //5个局部变量
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)

随后的func的运算过程如下：

　　 movl    -16(%rbp), %eax //local_i2 - local_i1
subl    -12(%rbp), %eax

pxor    %xmm0, %xmm0    //准备xmm0寄存器,按位异或，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栈，恢复栈顶地址
popq    %rbp
ret

根据以上代码分析，大概得出该程序调用栈结构：



这里没有考虑func函数再次调用其他函数而准备操作数的栈内容的情况，但结合main函数栈，大致可以得出栈的通用结构如下：



call_stub由generate_call_stub()解释成汇编代码，有兴趣的可以继续阅读call_stub的汇编代码进行分析。
下面对call_stub的汇编部分进行分析：
先来看下call_stub的调用栈结构：(注：本文实验是在windows_64位平台上实现的)

// Call stubs are used to call Java from C
//    return_from_Java 是紧跟在call *%eax后面的那条指令的地址
//     [ 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.根据函数调用栈的结构：
在被调函数栈帧的栈底 %rbp + 8(栈地址向下增长，堆地址向上增长，栈底的正偏移值指向调用函数栈帧内容)保存着被调函数的传入参数，这里即：
JavaCallWrapper指针、返回结果指针、返回结果类型、被调用方法的methodOop、被调用方法的解释代码的入口地址、参数地址、参数个数。

StubRoutines::call_stub [0x0000000002400567, 0x00000000024006cb[ (356 bytes)
//保存bp
0x0000000002400567: push   %rbp
//更新栈顶地址
0x0000000002400568: mov    %rsp,%rbp

//call_stub需要的栈空间大小为0xd8
0x000000000240056b: sub    $0xd8,%rsp

2.rcx、rdx、r8d、r9d分别保存着传入call_stub的前4个参数，现在需要将其复制到栈上的shadow space中

//分别使用rcx、rdx、r8、r9来保存第1、2、3、4个参数，多出来的其他参数用栈空间来传递
//使用xmm0-4来传递第1-4个浮点数参数
//这里将参数复制到栈空间，这样call_stub的所有参数就在rbp + 0x10 ~ 0x48栈空间上
0x0000000002400572: mov    %r9,0x28(%rbp)
0x0000000002400576: mov    %r8d,0x20(%rbp)
0x000000000240057a: mov    %rdx,0x18(%rbp)
0x000000000240057e: mov    %rcx,0x10(%rbp)

3.将被调用者保存寄存器的值压入call_stub栈中：

;; save registers:
//依次保存rbx、rsi、rdi这三个被调用者保存的寄存器，随后保存r12-r15、XMM寄存器组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)
//栈底指针的0x48偏移保存着thread对象，0x6d01a2c3(%rip)为异常处理入口
0x00000000024005e2: mov    0x48(%rbp),%r15
0x00000000024005e6: mov    0x6d01a2c3(%rip),%r12        # 0x000000006f41a8b0

4.call_stub的参数保存着Java方法的参数，现在就需要将参数压入call_stub栈中

/栈底指针的0x40偏移保存着参数的个数
0x00000000024005ed: mov    0x40(%rbp),%r9d
//若参数个数为0，则直接跳转0x000000000240060d准备调用Java方法
0x00000000024005f1: test   %r9d,%r9d
0x00000000024005f4: je     0x000000000240060d
//若参数个数不为0，则遍历参数，将所有参数压入本地栈
//其中栈底指针的0x38偏移保存着参数的地址，edx将用作循环的迭代器
0x00000000024005fa: mov    0x38(%rbp),%r8
0x00000000024005fe: mov    %r9d,%edx

;; loop:
//从第一个参数开始，将Java方法的参数压人本地栈
/*
*     i = parameter_size; //确保不等于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.调用Java方法的解释代码

;; prepare entry:
//栈底指针的0x28和0x30偏移分别保存着被调用Java方法的methodOop指针和解释代码的入口地址
0x000000000240060d: mov    0x28(%rbp),%rbx
0x0000000002400611: mov    0x30(%rbp),%rdx
0x0000000002400615: mov    %rsp,%r13  //保存栈顶指针
;; jump to run Java method:
0x0000000002400618: callq  *%rdx

6.准备保存返回结果，这里需要先根据不同的返回类型取出返回结果，然后保存到返回结果指针所指向的位置

;; prepare to save result:
//栈底指针的0x18和0x20偏移分别保存着返回结果的指针和结果类型
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)

下面分别为返回结果类型为long、float、double的情况

;; long 类型返回结果保存:
0x00000000024006b7: mov    %rax,(%rcx)
0x00000000024006ba: jmp    0x0000000002400647
;; float 类型返回结果保存:
0x00000000024006bc: vmovss %xmm0,(%rcx)
0x00000000024006c0: jmp    0x0000000002400647
;; double 类型返回结果保存:
0x00000000024006c2: vmovsd %xmm0,(%rcx)
0x00000000024006c6: jmpq   0x0000000002400647

7.被调用者保存寄存器的恢复，以及栈指针的复位

;; 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 //栈顶指针复位
0x00000000024006b5: pop    %rbp //栈底指针复位
0x00000000024006b6: retq

归纳出call_stub栈结构如下：



8.对于不同的Java方法，虚拟机在初始化时会生成不同的方法入口例程
(method entry point)来准备栈帧，这里以较常被使用的zerolocals方法入口为例，分析Java方法的栈帧结构与调用过程，入口例程目标代码的产生在InterpreterGenerator::generate_normal_entry()中：
(1).根据之前的分析，初始的栈结构如下：



获取传入参数数量到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指针被保存在rbx中，调用Java方法的sender sp被保存在r13中，参数大小保存在rcx中
(2).获取局部变量区的大小，保存在rdx中，并减去参数数量，将除参数以外的局部变量数量保存在rdx中(虽然参数作为局部变量是方法的一部分，但参数由调用者提供，这些参数应有调用者栈帧而非被调用者栈帧维护，即被调用者栈帧只需要维护局部变量中除了参数的部分即可)

// 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).对栈空间大小进行检查，判断是否会发生栈溢出

// see if we've got enough room on the stack for locals plus overhead.
generate_stack_overflow_check();

(4).获取返回地址，保存在rax中(注意此时栈顶为调用函数call指令后下一条指令的地址)

// get return address
__ pop(rax);

(5).由于参数在栈中由低地址向高地址是以相反的顺序存放的，所以第一个参数的地址应该是 rsp+rcx*8-8(第一个参数地址范围为 rsp+rcx*8-8 ~ rsp+rcx*8)，将其保存在r14中

// compute beginning of parameters (r14)
__ lea(r14, Address(rsp, rcx, Address::times_8, -wordSize))

(6).为除参数以外的局部变量分配栈空间，若这些局部变量数量为0，那么就跳过这一部分处理，否则，将压入 maxlocals - param_size个0，以初始化这些局部变量

//该部分为一个loop循环
// 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);
}

这时栈的层次如下：



(7).将方法的调用次数保存在rcx/ecx中

// (pre-)fetch invocation count
if (inc_counter) {
__ movl(rcx, invocation_counter);
}

(8).初始化当前方法的栈帧

// initialize fixed part of activation frame
generate_fixed_frame(false);

generate_fixed_frame()的实现如下：

__ 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，为被调用的Java方法准备栈帧，并将sender sp指针、last_sp(设置为0)压入栈，根据methodOop的constMethodOop成员将字节码指针保存到r13寄存器中，并将methodOop压入栈

} 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
}

将methodData以0为初始值压入栈，根据methodOop的ConstantPoolOop成员将常量池缓冲地址压入栈，r14中保存着局部变量区(第一个参数的地址)指针，将其压入栈，此外如果调用的是native调用，那么字节码指针部分为0，否则正常将字节码指针压入栈，最后为栈留出一个字的表达式栈底空间，并更新rsp

最后栈的空间结构如下：



(9).增加方法的调用计数

// 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);
}
}

(当调用深度过大会抛出StackOverFlow异常)
(10).同步方法的Monitor对象分配和方法的加锁(在汇编部分分析中没有该部分，如果对同步感兴趣的请自行分析)

if (synchronized) {
// Allocate monitor and lock method
lock_method();

(11).JVM工具接口部分

// jvmti support
__ notify_method_entry();

(12).跳转到第一条字节码的本地代码处执行

__ dispatch_next(vtos);

以上分析可能略显复杂，但重要的是明白方法的入口例程是如何为Java方法构造新的栈帧，从而为字节码的运行提供调用栈环境。

method entry point汇编代码的分析可以参考随后的一篇文章。