一个 try-catch 愣是让面试官问出这么多花样?

刚刚面试回来的 B 哥又在吐槽了:现在的面试官太难伺候了,放着好好的堆、栈、方法区不问,上来就让我从字节码角度给他分析一下try-catch-finally(以下简称 TCF)的执行效率。

我觉得应该是面试官在面试的过程中看大家背的八股文都如出一辙,觉得没有问的必要,便拐着弯地考大家的理解。

今天趁着 B 哥也在,我们就来好好总结一下 TCF 相关的知识点,期待下次与面试官对线五五开!

环境准备:IntelliJ IDEA 2020.2.3、JDK 1.8.0_181

执行顺序

我们先来写一段简单的代码:

public static int test1() {
    int x = 1;
    try {
        return x;
    } finally {
        x = 2;
    }
}

答案是 1 不是 2,你答对了吗?

大家都知道在 TCF 中,执行到return的时候会先去执行finally中的操作,然后才会返回来执行return,那这里为啥会是 1 呢?我们来反编译一下字节码文件。

使用命令:

javap -v xxx.class

反编译一下字节码文件

字节码指令晦涩难懂,那我们就用图解的方式来解释一下(我们先只看前 7 行指令):首先执行 int x = 1;

图解字节码指令

然后我们需要执行try中的return x;

图解字节码指令

此时并不是真正的返回x的值,而是将x的值存到局部变量表中作为临时存储变量进行存储,也就是对该值进行保护操作。

最后进入finally中执行x=2;

临时存储变量

此时虽然x已经被赋值为 2 了,但是由于刚才的保护操作,在执行真正的return操作时,会将被保护的临时存储变量入栈返回。

为了更好地理解上述操作,我们再来写一段简单代码:

public static int test2() {
    int x = 1;
    try {
        return x;
    } finally {
        x = 2;
        return x;
    }
}

大家思考一下执行结果是几?答案是 2 不是 1。

我们再来看下该程序的字节码指令。

程序的字节码指令

通过对比发现,第 6 行一个是iload_1,一个是iload_0,这是由什么决定的呢?原因就是我们上边提到的保护机制,当在finally中存在return语句时,保护机制便会失效,转而将变量的值入栈并返回。

小结

  • return的执行优先级高于finally的执行优先级,但是return语句执行完毕之后并不会马上结束函数,而是将结果保存到栈帧中的局部变量表中,然后继续执行finally块中的语句。
  • 如果finally块中包含return语句,则不会对try块中要返回的值进行保护,而是直接跳到finally语句中执行,并最后在finally语句中返回,返回值是在finally块中改变之后的值。

finally 为什么一定会执行?

细心的小伙伴应该能发现,上边的字节码指令图中第 4-7 行和第 9-12 行的字节码指令是完全一致的,那么为什么会出现重复的指令呢?

首先我们来分析一下这些重复的指令都做了些什么操作。经过分析发现它们就是x = 2;return x;的字节码指令,也就是finally代码块中的代码。由此我们有理由怀疑如果上述代码中加入catch代码块,finally代码块对应的字节码指令也会再次出现。

public static int test2() {
    int x = 1;
    try {
        return x;
    } catch(Exception e) {
        x = 3;
    } finally {
        x = 2;
        return x;
    }
}

反编译之后:

反编译之后

果然如我们所料,重复的字节码指令出现了三次。让我们回归到最初的问题上,为什么finally代码的字节码指令会重复出现三次呢?

原来是JVM为了保证所有异常路径和正常路径的执行流程都要执行finally中的代码,所以在trycatch后追加上了finally中的字节码指令,再加上它自己本身的指令,正好三次。这也就是为什么finally 一定会执行的原因。

finally 一定会执行吗?

为什么上边已经说了finally中的代码一定会执行,现在还要再多此一举呢?请看:👇

在正常情况下,它是一定会被执行的,但是至少存在以下三种情况,是一定不执行的:

  • try语句没有被执行到就返回了,这样finally语句就不会执行,这也说明了finally语句被执行的必要而非充分条件是:相应的try语句一定被执行到。
  • try代码块中有System.exit(0);这样的语句,因为System.exit(0);是终止JVM的,连JVM都停止了,finally肯定不会被执行了。
  • 守护线程会随着所有非守护线程的退出而退出,当守护线程内部的finally的代码还未被执行到,非守护线程终结或退出时,finally 肯定不会被执行。

TCF 的效率问题

说起 TCF 的效率问题,我们不得不介绍一下异常表,拿上边的程序来说,反编译class文件后的异常表信息如下:

TCF 的效率问题

  • from:代表异常处理器所监控范围的起始位置。
  • to:代表异常处理器所监控范围的结束位置(该行不被包括在监控范围内,是前闭后开区间)。
  • target:指向异常处理器的起始位置。
  • type:代表异常处理器所捕获的异常类型。

图中每一行代表一个异常处理器。

工作流程

  1. 触发异常时,JVM会从上到下遍历异常表中所有的条目。
  2. 比较触发异常的行数是否在fromto范围内。
  3. 范围匹配之后,会继续比较抛出的异常类型和异常处理器所捕获的异常类型type是否相同。
  4. 如果类型相同,会跳转到target所指向的行数开始执行。
  5. 如果类型不同,会弹出当前方法对应的java栈帧,并对调用者重复操作。
  6. 最坏的情况下,JVM需要遍历该线程 Java 栈上所有方法的异常表。

拿第一行为例:如果位于 2-4 行之间的命令(即try块中的代码)抛出了Class java/lang/Exception类型的异常,则跳转到第 8 行开始执行。

8: astore_1是指将抛出的异常对象保存到局部变量表中的 1 位置处。

从字节码指令的角度来讲,如果代码中没有异常抛出,TCF 的执行时间可以忽略不计;如果代码执行过程中出现了上文中的第 6 条,那么随着异常表的遍历,更多的异常实例被构建出来,异常所需要的栈轨迹也在生成。该操作会逐一访问当前线程的栈帧,记录各种调试信息,包括类名、方法名、触发异常的代码行数等等,所以执行效率会大大降低。

看到这儿,你是否对 TCF 有了更加深入的了解呢?

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