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从字节码透视try-catch-finally

Java

发布于：Jul 26, 2025

问题引入：

  • “为什么 finally 块总能执行？JVM 究竟做了什么？”
  • “try-catch 在字节码层面是如何实现的？”

1 前置知识

1.1 字节码是什么？

  • Java 代码编译后的中间表示（.class 文件）
  • JVM 执行的指令集，类似汇编语言

1.2 关键指令解析

指令 作用 示例
iconst_0 将 int 型 0 推入栈顶 int a = 0;
idiv 整数除法（可能抛出异常） int b = 10 / 0;
astore_1 将对象引用存储到局部变量表槽位1 Exception e = ...;
getstatic 获取静态字段（如 System.out） System.out.println(...);
invokevirtual 调用实例方法（如 println） e.getMessage();
athrow 抛出异常对象 throw e;

1.3 异常表（Exception Table）

  • 每个方法编译后生成的“异常处理地图”

  • 结构：

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    Exception table:
       from    to  target type
         0     5     12   java/lang/ArithmeticException
    • from/to：监控的字节码范围（try 块）
    • target：异常发生时跳转的目标位置（catch 块）
    • type：捕获的异常类型（any 表示 finally 块）

2 简单的try-catch-finally Demo

2.1 Demo源码

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public class TryCatchFinallyDemo {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            int result = 10 / 0; // 触发 ArithmeticException
            System.out.println(result);
        } catch (ArithmeticException e) {
            System.out.println("捕获到算术异常: " + e.getMessage());
        } finally {
            System.out.println("finally块始终执行");
        }
    }
}

2.2 代码执行流程

  1. try 块：执行 10 / 0 → 抛出 ArithmeticException
  2. catch 块：捕获异常，打印错误信息
  3. finally 块：无论是否异常，都会执行

3 字节码

3.1 常量池

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Constant pool:
   #1 = Methodref          #2.#3          // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #4             // java/lang/Object
   #3 = NameAndType        #5:#6          // "<init>":()V
   #4 = Utf8               java/lang/Object
   #5 = Utf8               <init>
   #6 = Utf8               ()V
   #7 = Fieldref           #8.#9          // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #8 = Class              #10            // java/lang/System
   #9 = NameAndType        #11:#12        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #10 = Utf8               java/lang/System
  #11 = Utf8               out
  #12 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #13 = Methodref          #14.#15        // java/io/PrintStream.println:(I)V
  #14 = Class              #16            // java/io/PrintStream
  #15 = NameAndType        #17:#18        // println:(I)V
  #16 = Utf8               java/io/PrintStream
  #17 = Utf8               println
  #18 = Utf8               (I)V
  #19 = String             #20            // finally块始终执行
  #20 = Utf8               finally块始终执行
  #21 = Methodref          #14.#22        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #22 = NameAndType        #17:#23        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #23 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #24 = Class              #25            // java/lang/ArithmeticException
  #25 = Utf8               java/lang/ArithmeticException
  #26 = Methodref          #24.#27        // java/lang/ArithmeticException.getMessage:()Ljava/lang/String;
  #27 = NameAndType        #28:#29        // getMessage:()Ljava/lang/String;
  #28 = Utf8               getMessage
  #29 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #30 = InvokeDynamic      #0:#31         // #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
  #31 = NameAndType        #32:#33        // makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
  #32 = Utf8               makeConcatWithConstants
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
  #34 = Class              #35            // TryCatchFinallyDemo
  #35 = Utf8               TryCatchFinallyDemo
  #36 = Utf8               Code
  #37 = Utf8               LineNumberTable
  #38 = Utf8               main
  #39 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #40 = Utf8               StackMapTable
  #41 = Class              #42            // java/lang/Throwable
  #42 = Utf8               java/lang/Throwable
  #43 = Utf8               SourceFile
  #44 = Utf8               TryCatchFinallyDemo.java
  #45 = Utf8               BootstrapMethods
  #46 = MethodHandle       #6:#47         // invokestatic java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
  #47 = Methodref          #48.#49        // java/lang/invoke/StringConcatFactory.makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
  #48 = Class              #50            // java/lang/invoke/StringConcatFactory
  #49 = NameAndType        #32:#51        // makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
  #50 = Utf8               java/lang/invoke/StringConcatFactory
  #51 = Utf8               (Ljava/lang/invoke/MethodHandles$Lookup;Ljava/lang/String;Ljava/lang/invoke/MethodType;Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/invoke/CallSite;
  #52 = String             #53            // 捕获到算术异常: 
  #53 = Utf8               捕获到算术异常: 
  #54 = Utf8               InnerClasses
  #55 = Class              #56            // java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
  #56 = Utf8               java/lang/invoke/MethodHandles$Lookup
  #57 = Class              #58            // java/lang/invoke/MethodHandles
  #58 = Utf8               java/lang/invoke/MethodHandles
  #59 = Utf8               Lookup

3.2 构造方法

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public TryCatchFinallyDemo();
  descriptor: ()V               // 方法签名：无参数，返回void
  flags: ACC_PUBLIC             // 访问标志：公有方法
  Code:
    stack=1, locals=1, args_size=1  // 操作数栈深度1，局部变量表大小1，参数个数1（隐式this）
      0: aload_0                 // 将局部变量0（this）压入栈顶
      1: invokespecial #1        // 调用父类Object的构造方法("<init>")
      4: return                  // 方法返回
    LineNumberTable:
      line 1: 0                 // 源码第1行对应字节码偏移0
  • 作用：初始化对象，调用父类 Object 的构造方法。
  • 关键指令：
    • aload_0：加载 this 引用（非静态方法的局部变量0固定为this）。
    • invokespecial #1：调用常量池中 #1 项（Object.<init>）。

3.3 方法入口

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public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  • descriptor: 方法签名（参数为String[]，返回void）
  • flags: 公开静态方法

3.4 字节码

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Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: bipush        10                  // 将10压入栈顶
         2: iconst_0                          // 将0压入栈顶
         3: idiv                              // 执行除法（10/0），触发ArithmeticException
         4: istore_1                          // 存储结果（不会执行）
         5: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         8: iload_1                           // 加载局部变量1（result）
         9: invokevirtual #13                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        12: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: ldc           #19                 // String finally块始终执行
        17: invokevirtual #21                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        20: goto          61
        23: astore_1
        24: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        27: aload_1
        28: invokevirtual #26                 // Method java/lang/ArithmeticException.getMessage:()Ljava/lang/String;
        31: invokedynamic #30,  0             // InvokeDynamic #0:makeConcatWithConstants:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/String;
        36: invokevirtual #21                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        39: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        42: ldc           #19                 // String finally块始终执行
        44: invokevirtual #21                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        47: goto          61
        50: astore_2
        51: getstatic     #7                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        54: ldc           #19                 // String finally块始终执行
        56: invokevirtual #21                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        59: aload_2
        60: athrow
        61: return

3.4 try 块逻辑（偏移 0-12）

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0: bipush        10      // 将10压入栈顶
2: iconst_0             // 将0压入栈顶
3: idiv                 // 执行除法（10/0），触发ArithmeticException
4: istore_1             // 存储结果（不会执行）
5: getstatic     #7      // 获取System.out
8: iload_1              // 加载局部变量1（result）
9: invokevirtual #13     // 调用println打印结果（不会执行）
  • 关键点
    • idiv 触发异常后，直接跳转到 catch 块（偏移23）
    • 偏移4-9的代码被跳过

3.5 catch 块逻辑（偏移23-39）

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23: astore_1            // 将异常对象存储到局部变量1（覆盖之前的result）
24: getstatic     #7      // 获取System.out
27: aload_1              // 加载异常对象
28: invokevirtual #26     // 调用e.getMessage()
31: invokedynamic #30     // 动态拼接字符串："捕获到算术异常: "+e.getMessage()
36: invokevirtual #21     // 调用println打印
  • 关键点：
    • astore_1 将异常对象存入局部变量表
    • invokedynamic 优化字符串拼接（JDK9+特性）

3.6 finally 块逻辑（多份复制）

① 正常执行路径（try块未抛异常）

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12: getstatic     #7      // System.out
15: ldc           #19     // 加载"finally块始终执行"
17: invokevirtual #21     // 调用println
20: goto          61      // 跳过catch块，直接返回

② catch块执行后

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39: getstatic     #7      // System.out
42: ldc           #19     // 加载"finally块始终执行"
44: invokevirtual #21     // 调用println
47: goto          61      // 方法返回

③ 未捕获异常路径

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50: astore_2            // 存储未捕获的异常
51: getstatic     #7     // System.out
54: ldc           #19    // 加载"finally块始终执行"
56: invokevirtual #21    // 调用println
59: aload_2             // 重新加载异常
60: athrow               // 抛出异常
61: return               // 方法返回
  • 关键点：
    • finally 代码被复制到 3个位置，确保任何路径都会执行
    • athrow 保证未捕获异常在 finally 后继续传播

3.7 异常表（核心机制）

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Exception table:
   from    to  target type
       0    12    23   Class java/lang/ArithmeticException  // try范围：0-12 → catch块23
       0    12    50   any                                // try范围 → finally块50
      23    39    50   any                                // catch范围 → finally块50
  • 作用：
    • 第一行：捕获 ArithmeticException，跳转到 catch 块
    • 第二/三行：any 类型强制跳转到 finally 块（覆盖所有路径）

总结

1 JVM如何实现finally的“必定执行”

  • 代码复制：将 finally 块逻辑插入到所有退出路径（try/catch/未捕获异常）
  • 异常表控制：通过 any 类型强制跳转
  • 资源保障：即使未捕获异常，也会先执行 finally 再终止程序

更新于：Jul 26, 2025

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