司空见惯的Exception,你了解她的秘密吗?

大家好,我是指北君,对于Exception,不用说Java人都知道。指北君一直以来有个不治之症:对Java的一切东东有追根寻底的强迫症,不了解其所以然就睡不了觉,这不,为了能睡个好觉就带领大家探一探Exception的秘密。

引子

首先,指北君声明一下,这里讲的Exception不仅仅是Exception一个类,而是异常机制,就像下面图中的所有(含继承Error和Exception的)。

异常类图

当然JDK中更为细致的异常继承体系也不是本篇探讨内容,本次呢,指北君将对异常在JVM层面的执行原理和ARM进行介绍,这里ARM也不是芯片架构,而是指自动资源管理。

异常表

要想了解异常执行原理,异常表是一个最佳的入口,异常表是什么?我来看看下面的数据结构描述:

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exception_table {
    u2 start_pc;
    u2 end_pc;
    u2 handler_pc;
    u2 catch_type;
}

它是虚拟机中用于表述异常处理的一种数据结构,我再来看异常表的样例,下面是一段包含try-catch代码编译后的字节码中的内容:

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        from    to  target type
            8    41    41   Class java/lang/IllegalArgumentException
            8    41    41   Class java/io/IOException
            8    53    63   any

逻辑上的表述可以用下图表示:

异常类图

  1. 监测从8-41(41不包含)号指令的IllegalArgumentException
  2. 监测从8-41指令的IOException
  3. 监测从8到53指令的结束动作,包含三种情况:跳出指令(比如return指令集);athrow指令且没有匹配的异常类型;指令执行到最后一条
  4. 如果监测到制定动作,则按照异常表进行跳转

现在,回到异常表,我们可以看到异常表包含多条异常处理数据,每条数据包含四个属性

  • from 监控的指令集起始编号
  • to 监控的指令集结束编号
  • target 满足条件后指令跳转目标
  • 异常匹配的类型,特殊类型any,对应fanally块,监控try块和catch块

对于return,athrow等指令,执行顺序需要注意,指令是在对应的处理之后执行。

可能会让你意识混乱的例子:

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    public String execOrder(int sn) {
        StringBuilder build = new StringBuilder();
        try {
            build.append("try-block");
            if(sn == 0) {
                return build.append(", end").toString();
            }
        }catch(RuntimeException e) {
            build.append(", catch-block");
        }finally{
            build.append(", finally-block");
        }
        
        return build.toString();
    }

我们之前说过finally块会在return之前执行,那是不是执行结果是:try->finally->end这种顺序呢?实际的执行的结果是:try-block,end。 可以看到,finally块没有对结果形成影响,当然,这并不说它没执行,只是reutrn的结果在执行finally块时已经计算出结果了,在执行完finally块后将之前计算的结果返回了而已。所以我们要深入理解了执行的原理,才能正确理解结果。

ARM 自动资源管理

讲完前面的异常执行原理后,指北君现在给大家介绍异常机制在JDK1.7中一个优化特性:自动资源管理。 经常使用IO的小伙伴一定对关闭IO很烦,写法繁琐,关闭前还要做判断,并且在关闭块代码还要加try-catch,就如同下面类似的代码:

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        InputStreamReader in = null;
        OutputStreamWriter out = null;
        try {
            in = new InputStreamReader(new FileInputStream(""));
        }catch(IOException e) {
            
        }finally {
            try {
                if(in != null) {
                    in.close();
                }
                if(out != null) {
                    in.close();
                }
            }catch(IOException e) {
                
            }
        }

反正指北君每次写这种代码的时候很烦,就是那种啥事没干,占我一块黄金代码位置的感觉,对于有精简代码癖好的人来说,就像吃了一口苍蝇般难受。 有了ARM后,我们再来看看新的写法:

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    public void sample2() {
        try (InputStreamReader in  = new InputStreamReader(new FileInputStream(""))){
            in.read();
        }catch(IOException e) {
            
        }finally {
            
        }
    }

是不是简洁多了,资源直接在try后的括号内进行声明,而且不需要显式的关闭流的代码,这难道就是ARM!是不是有点小兴奋! 对于ARM自动资源管理要点如下:

  • 在try后的括号内声明需要自动关闭的资源
  • 资源必须实现一个关键接口:AutoCloseable。 在满足上面的条件后,JDK将为我们自动关闭资源。当然这种写法即使想手动关闭,在catch和finally部分也拿不到资源引用。

又到了追根溯源环节了,自动资源管理是如何实现的呢?先看看class文件有啥变化。

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21: aload_3
22: invokevirtual #112                // Method java/io/InputStreamReader.read:()I
25: pop
26: ldc           #51                 // String try-block
28: astore        4
30: aload_3
31: ifnull        94
34: aload_3
35: invokevirtual #103                // Method java/io/InputStreamReader.close:()V
38: goto          94
41: astore_1
42: aload_3
43: ifnull        50
46: aload_3
47: invokevirtual #103                // Method java/io/InputStreamReader.close:()V
50: aload_1
51: athrow
52: astore_2

对比之前的字节码文件,我们明显发现虽然代码行数少了,但是Class编译后的内容一点都没少,而且异常表中除了finally对应的处理,还增加了额外的部分。 具体几个不同点:

  1. 字节码中竟然有close调用
  2. 异常表中增加了内容
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 Exception table:
    from    to  target type
       21    30    41   any
        4    52    52   any
        0    74    74   Class java/io/IOException
        0    78    85   any

好奇怪的异常表,我们查看指令,可以明显找出最后一条是对应finally处理。前面的呢?经过分析我们发现前面是finally形式的关闭资源。 看到这里,结果就很明显了,自动资源管理实际是上编译帮助我们做了显示关闭的逻辑,在JVM执行层面没有增加新的功能。简而言之,自动资源管理是编译器层面的改进,通过扩展语法和增强编译能力(增加自动的资源关闭能力)来实现自动化编码。

总结

关于Java的异常的原理,以及自动资源管理的用法和实现方式,指北君就给大家介绍到这里。

最后感谢各位人才的:点赞、收藏和评论,我们下期更精彩!

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