Java面向对象机制的实现介绍-优快云博客

一、Java虚拟机基础介绍

首先看看以下例子：

public class Outer {
    int x = 1;
    public void doSomething() {
        final int y = 2;
        System.out.println(x);
        System.out.println(y);
    }
    public static void main(String[] args) {
        Outer outer = new Outer();
        outer.doSomething();
    }
}

以上例子编译成 class 文件后，其是如何加载的？如何实现封装、继承、多态的？

1. JVM 简介

JVM 全称是 Java Virtual Machine（Java 虚拟机），也就是在计算机上再虚拟一个计算机。这和我们使用 VMWare 不一样——那个虚拟的东西你是可以看到的，而 JVM 是你看不到的，它存在于内存中。

计算机的基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备。JVM 也有这套元素：

运算器由硬件 CPU 处理；
但为了适应“一次编译，随处运行”的特性，JVM 引入了自己的指令集（类似汇编），并根据不同的 CPU 翻译成对应的机器语言。

2. 虚拟机的组成部分

主要包括两个子系统和两个组件：

Class loader（类装载器）子系统
Execution engine（执行引擎）子系统
Runtime data area（运行时数据区域）组件
Native interface（本地接口）组件

2.1 Class loader 子系统

根据全限定类名（如 java.lang.Object）加载 .class 文件内容到 Method Area（方法区）。

Java 程序员可以继承 java.lang.ClassLoader 编写自己的类加载器。

比如编写一个HelloWord.java程序，然后通过javac编译成class文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class文件就能被加载的，Class Loader加载的class文件是有格式要求，在《JVM Specification》中式这样定义Class文件的结构：

ClassFile {
    u4 magic;
    u2 minor_version;
    u2 major_version;
    u2 constant_pool_count;
    cp_info constant_pool[constant_pool_count - 1];
    u2 access_flags;
    u2 this_class;
    u2 super_class;
    u2 interfaces_count;
    u2 interfaces[interfaces_count];
    u2 fields_count;
    field_info fields[fields_count];
    u2 methods_count;
    method_info methods[methods_count];
    u2 attributes_count;
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

例子对应的class文件如下

关键字段说明：

access_flags：表示访问权限（如 public、final 等），其对应的值如下：
this_class
该this_class的值必须是constant_pool表的一个有效的索引，且constant_pool表在该索引的项必须是一个CONSTANT_Class_info结构，其表示此class file定义的类或者接口。
super_class
该super_class的值必须是0或者是constant_pool表的一个有效的索引，且constant_pool表在该索引的项必须是一个CONSTANT_Class_info结构，其表示此class file定义的类或者接口。如果super_class的值是0，则改class文件必须是java.lang.Object类，它是唯一的没有超类的类。
interfaces_count
该值给出该类或接口的直接超接口的个数。
interfaces[]
表示该类或接口的直接超接口的结构CONSTANT_Class_info，其按照代码从左到右的顺序。
fields_count
该值给出fileds表中的个数。
fields[]
每项必须是一个给出该类或者接口类型中的一个域的完整描述的filed_info结构。该表只包括该类或者接口声明的域，不包括表示从超类或者超接口中继承的域。

field_info {
   u2 access_flags;
   u2 name_index;
   u2 descriptor_index;
   u2 attributes_count;
   attribute_info attributes[attributes_count];
}

上述代码中access_flags的值如下：
methods_count
该值给出methods表中的个数
methods[]
每项必须是一个给出该类或者接口类型中的一个方法的完整描述的method_info结构。methods表不包括表示从超类或者超接口继承的方法的项。

method_info {
   u2 access_flags;
   u2 name_index;
   u2 descriptor_index;
   u2 attributes_count;
   attribute_info attributes[attributes_count];
}

上述代码中access_flags的值如下：

2.2 Execution engine 子系统

执行 class 文件中的字节码指令。
每个运行中的线程都有一个 Execution engine 实例。
Sun JDK 与 IBM JDK 的性能差异主要体现在 Execution engine 的实现优劣上。

2.3 Native interface 组件

用于与本地库（如 C/C++）交互，提供与其他语言通信的接口。

2.4 Runtime data area 组件（JVM 内存模型）

包含五个部分：


Heap（堆）	存放所有对象实例和数组	所有线程共享
Method Area（方法区）	存储类信息、静态变量、常量池等	所有线程共享
Java Stack（Java 栈）	以栈帧为单位存储方法调用状态（局部变量、操作数栈等）	线程私有
Program Counter（程序计数器）	指向下一条要执行的字节码指令地址	线程