Java虚拟机如何处理异常

欢迎来到 Under The Hood专栏 。本专栏旨在让 Java 开发人员一瞥在运行Java程序底层的神秘机制。本月的文章继续讨论Java虚拟机的字节码指令集，方法是检查Java虚拟机处理异常抛出和捕获的方式，包括相关的字节码。本文不讨论 finally 条款 - 这是下个月的主题。后续文章将讨论字节码系列的其他成员。

Exceptions

Exceptions允许您顺利处理程序运行时发生的意外情况。要演示Java虚拟机处理异常的方式，请考虑一个名为NitPickyMath的类。它提供了对整数执行加法，减法，乘法，除法和余数的方法。NitPickyMath在溢出，下溢和被零除的条件下抛出已检查的异常。Java虚拟机将在整数除零上抛出一个ArithmeticException，但不会在溢出和下溢上抛出任何异常。方法抛出的异常定义如下：

class OverflowException extends Exception {
}
class UnderflowException extends Exception {
}
class DivideByZeroException extends Exception {
}

捕获和抛出异常的简单方法是 remainder 类的方法 NitPickyMath ：

static int remainder(int dividend, int divisor)
    throws DivideByZeroException {
    try {
        return dividend % divisor;
    }
    catch (ArithmeticException e) {
        throw new DivideByZeroException();
    }
}

该 remainder 方法仅在传递两个 int 参数时执行余数运算。如果余数运算的除数为零，则余数运算抛出一个 ArithmeticException 。这个方法捕获了这个 ArithmeticException 并抛出一个 DivideByZeroException 。

DivideByZeroException 和 ArithmeticException 之间的差别是 DivideByZeroException 是一个 检查 异常，并且 ArithmeticException 是 未经检查 。因为 ArithmeticException 是非受检异常，所以方法不需要在throws子句中声明此异常，即使它可能会抛出它。任何属于 Error 或者 RuntimeException 子类的异常都是非受检异常。（ ArithmeticException 是 RuntimeException 的子类。）通过捕获 ArithmeticException 然后抛出 DivideByZeroException ，该 remainder 方法强制其客户端处理除零异常的可能性，通过捕获它或在自己的throws子句中声明 DivideByZeroException 。这是因为已检查的异常，例如 DivideByZeroException ，抛出方法必须由方法捕获或在方法的throws子句中声明。未经检查的异常（例如 ArithmeticException ，不需要在throws子句中捕获或声明）。

javac 为该 remainder 方法生成以下字节码序列：

The main bytecode sequence for remainder:
   0 iload_0               // Push local variable 0 (arg passed as divisor)
   1 iload_1               // Push local variable 1 (arg passed as dividend)
   2 irem                  // Pop divisor, pop dividend, push remainder
   3 ireturn               // Return int on top of stack (the remainder)
The bytecode sequence for the catch (ArithmeticException) clause:
   4 pop                   // Pop the reference to the ArithmeticException
                           // because it isn't used by this catch clause. 
   5 new #5 <Class DivideByZeroException>
                       // Create and push reference to new object of class
                      // DivideByZeroException.
DivideByZeroException
   8 dup           // Duplicate the reference to the new
                           // object on the top of the stack because it 
                           // must be both initialized 
                        // and thrown. The initialization will consume
                       // the copy of the reference created by the dup.
   9 invokenonvirtual #9 <Method DivideByZeroException.<init>()V>
                      // Call the constructor for the DivideByZeroException
                      // to initialize it. This instruction
                     // will pop the top reference to the object.
  12 athrow          // Pop the reference to a Throwable object, in this
                           // case the DivideByZeroException, 
                           // and throw the exception.

该 remainder 方法的字节码序列有两个独立的部分。第一部分是该方法的正常执行路径。这部分从pc偏移0到3。第二部分是catch子句，它从pc偏移4到12。

主字节码序列中的 irem 指令可能会抛出一个 ArithmeticException 。如果发生这种情况，Java虚拟机知道通过查找表中的异常来跳转到实现catch子句的字节码序列。捕获异常的每个方法都与一个异常表相关联，该异常表在类文件中与方法的字节码序列一起传递。每个try块捕获的每个异常在异常表中都有一个条目。每个条目都有四条信息：起点和终点，要跳转到的字节码序列中的pc偏移量，以及正被捕获的异常类的常量池索引。 remainder 类的 NitPickyMath 方法的异常表如下所示：

Exception table:
   from   to  target type
     0     4     4   <Class java.lang.ArithmeticException>

上面的异常表指示从pc偏移0到3（包括0），表示 ArithmeticException 将被捕获的范围。在标签“to”下面的表中列出的是try块的端点值，它总是比捕获异常的最后一个pc偏移量多一。在这种情况下，端点值列为4，捕获到异常的最后一个pc偏移量为3。此范围（包括0到3）对应于在 remainder 的try块内实现代码的字节码序列。如果 ArithmeticException 在pc偏移量为0和3之间（包括0和3）之间抛出，则表中列出的"to"就是跳转到的pc偏移量。

如果在执行方法期间抛出异常，Java虚拟机将在异常表中搜索匹配的条目。如果当前程序计数器在条目指定的范围内，并且抛出的异常类是由条目指定的异常类（或者是指定异常类的子类），则异常表条目匹配。Java虚拟机按照条目在表中的显示顺序搜索异常表。找到第一个匹配项后，Java虚拟机会将程序计数器设置为新的pc偏移位置并继续执行。如果未找到匹配项，Java虚拟机将弹出当前堆栈帧并重新抛出相同的异常。当Java虚拟机弹出当前堆栈帧时，它有效地中止当前方法的执行并返回调用此方法的方法。但是，不是在前一个方法中继续正常执行，而是在该方法中抛出相同的异常，这会导致Java虚拟机经历搜索该方法的异常表的相同过程。

Java程序员可以使用throw语句抛出异常，例如 remainder 中的一个子句catch（ ArithmeticException ），其中一个 DivideByZeroException 创建并抛出。执行抛出的字节码如下表所示：

athrow 指令从堆栈中弹出顶部字节，并且会认为它是一个 Throwable 子类的引用（或 Throwable 本身）。抛出的异常是弹出对象引用定义的类型。

Play Ball!: a Java virtual machine simulation

下面的applet演示了一个执行一系列字节码的Java虚拟机。模拟中的字节码序列由javac生成。

类的playBall方法如下所示：

class Ball extends Exception {
}
class Pitcher {
    private static Ball ball = new Ball();
    static void playBall() {
        int i = 0;
        while (true) {
            try {
                if (i % 4 == 3) {
                    throw ball;
                }
                ++i;
            }
            catch (Ball b) {
                i = 0;
            }
        }
    }
}

javac为该 playBall 方法生成的字节码如下所示：

0 iconst_0             // Push constant 0
   1 istore_0         // Pop into local var 0: int i = 0;
           // The try block starts here (see exception table, below).
   2 iload_0              // Push local var 0
   3 iconst_4             // Push constant 4
   4 irem                 // Calc remainder of top two operands
   5 iconst_3             // Push constant 3
   6 if_icmpne 13    // Jump if remainder not equal to 3: if (i % 4 == 3) {
                    // Push the static field at constant pool location #5,
                   // which is the Ball exception itching to be thrown
   9 getstatic #5 <Field Pitcher.ball LBall;>
  12 athrow        // Heave it home: throw ball;
  13 iinc 0 1       // Increment the int at local var 0 by 1: ++i;
                    // The try block ends here (see exception table, below).
  16 goto 2               // jump always back to 2: while (true) {}
                          // The following bytecodes implement the catch clause:
  19 pop              // Pop the exception reference because it is unused
  20 iconst_0             // Push constant 0
  21 istore_0             // Pop into local var 0: i = 0;
  22 goto 2            // Jump always back to 2: while (true) {}
Exception table:
   from   to  target type
     2    16    19   <Class Ball>
     ```

该 playball 方法永远循环。每四次循环，playball抛出 Ball 并抓住它，只是因为它很有趣。因为try块和catch子句都在无限循环中，所以乐趣永远不会停止。局部变量 i 从0开始，每次递增递增循环。当 if 语句出现 true 时，每次 i 等于3 时都会发生 Ball 异常，抛出异常。

Java虚拟机检查异常表并发现确实存在适用的条目。条目的有效范围是2到15（包括两者），异常在pc偏移12处抛出。条目捕获的异常是类 Ball ，抛出的异常是类 Ball 。鉴于这种完美匹配，Java虚拟机将抛出的异常对象推送到堆栈，并继续在pc偏移19处执行catch子句，这里仅将 int i 重置为0，并且循环重新开始。

要驱动模拟，只需按“步骤”按钮。每次按下“Step”按钮都会使Java虚拟机执行一个字节码指令。要开始模拟，请按“重置”按钮。要使Java虚拟机重复执行字节码而不需要进一步操作，请按“运行”按钮。然后，Java虚拟机将执行字节码，直到按下“停止”按钮。applet底部的文本区域描述了要执行的下一条指令。快乐点击。

英文原文： https://www.javaworld.com/article/2076868/how-the-java-virtual-machine-handles-exceptions.html