深入理解JVM-类加载与字节码技术

已于 2022-09-29 11:03:29 修改
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于 2022-09-29 11:01:08 首次发布
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深入理解JVM-类加载与字节码技术

1. 类文件结构

一个简单的 HelloWorld.java

package cn.itcast.jvm.t5; 
// HelloWorld 示例 
public class HelloWorld { 
	public static void main(String[] args) { 
		System.out.println("hello world"); 
	} 
}

执行 javac -parameters -d . HellowWorld.java

编译为 HelloWorld.class 后是这个样子的：

[root@localhost ~]# od -t xC HelloWorld.class 
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09 
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07 
0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29 
0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e 
0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63 
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01 
0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63 
0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f 
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16 
0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13 
0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61 
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46 
0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64 
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e 
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64 
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74 
0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61 
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61 
0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f 
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72 
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76 
0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a 
0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b 
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01 
0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01 
0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00 
0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00 
0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00 
0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00 
0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a 
0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b 
0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00 
0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00 
0001120 00 00 02 00 14

根据 JVM 规范，类文件结构如下

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]; 
}

1.1 魔数

0~3 字节，表示它是否是【class】类型的文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.2 版本

4~7 字节，表示类的版本 00 34（52） 表示是 Java 8

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.3 常量池

image-20220915151931002

8~9 字节，表示常量池长度，00 23 （35） 表示常量池有 #1~#34项，注意 #0 项不计入，也没有值

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第#1项 0a 表示一个 Method 信息，00 06 和 00 15（21） 表示它引用了常量池中 #6 和 #21 项来获得

这个方法的【所属类】和【方法名】

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第#2项 09 表示一个 Field 信息，00 16（22）和 00 17（23） 表示它引用了常量池中 #22 和 # 23 项

来获得这个成员变量的【所属类】和【成员变量名】

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#3项 08 表示一个字符串常量名称，00 18（24）表示它引用了常量池中 #24 项

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#4项 0a 表示一个 Method 信息，00 19（25） 和 00 1a（26） 表示它引用了常量池中 #25 和 #26

项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#5项 07 表示一个 Class 信息，00 1b（27） 表示它引用了常量池中 #27 项

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#6项 07 表示一个 Class 信息，00 1c（28） 表示它引用了常量池中 #28 项

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

第#7项 01 表示一个 utf8 串，00 06 表示长度，3c 69 6e 69 74 3e 是【 】

0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

第#8项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，28 29 56 是【()V】其实就是表示无参、无返回值

0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

第#9项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，43 6f 64 65 是【Code】

0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

第#10项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65

是【LineNumberTable】

0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63

第#11项 01 表示一个 utf8 串，00 12（18） 表示长度，4c 6f 63 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61

62 6c 65是【LocalVariableTable】

0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63

0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01

第#12项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【this】

0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01

0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63

第#13项 01 表示一个 utf8 串，00 1d（29） 表示长度，是【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】

0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63

0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f

0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16

第#14项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【main】

0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16

第#15项 01 表示一个 utf8 串，00 16（22） 表示长度，是【([Ljava/lang/String;)V】其实就是参数为

字符串数组，无返回值

0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16

0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72

0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

第#16项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，是【args】

0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

第#17项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【[Ljava/lang/String;】

0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69

0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61

第#18项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【MethodParameters】

0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61

0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46

第#19项 01 表示一个 utf8 串，00 0a（10） 表示长度，是【SourceFile】

0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46

0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64

第#20项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【HelloWorld.java】

0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64

0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#21项 0c 表示一个 【名+类型】，00 07 00 08 引用了常量池中 #7 #8 两项

0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#22项 07 表示一个 Class 信息，00 1d（29） 引用了常量池中 #29 项

0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#23项 0c 表示一个 【名+类型】，00 1e（30） 00 1f （31）引用了常量池中 #30 #31 两项

0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

第#24项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【hello world】

0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

第#25项 07 表示一个 Class 信息，00 20（32） 引用了常量池中 #32 项

0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

第#26项 0c 表示一个 【名+类型】，00 21（33） 00 22（34）引用了常量池中 #33 #34 两项

0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

第#27项 01 表示一个 utf8 串，00 1b（27） 表示长度，是【cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld】

0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c

0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61

第#28项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/Object】

0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61

0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61

第#29项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/System】

0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61

0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f

第#30项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，是【out】

0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f

0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72

第#31项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【Ljava/io/PrintStream;】

0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72

0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76

第#32项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【java/io/PrintStream】

0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76

0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d

第#33项 01 表示一个 utf8 串，00 07 表示长度，是【println】

0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a

第#34项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【(Ljava/lang/String;)V】

0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a

0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

1.4 访问标识与继承信息

21 表示该 class 是一个类，公共的

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

05 表示根据常量池中 #5 找到本类全限定名

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

06 表示根据常量池中 #6 找到父类全限定名

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

表示接口的数量，本类为 0

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

image-20220915154839427

1.5 Field 信息

表示成员变量数量，本类为 0

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

image-20220915155008981

1.6 Method 信息

表示方法数量，本类为 2

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

一个方法由 访问修饰符，名称，参数描述，方法属性数量，方法属性组成

  • 红色代表访问修饰符（本类中是 public）

  • 蓝色代表引用了常量池 #07 项作为方法名称

  • 绿色代表引用了常量池 #08 项作为方法参数描述

  • 黄色代表方法属性数量，本方法是 1

  • 红色代表方法属性

    • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性

    • 00 00 00 2f 表示此属性的长度是 47

    • 00 01 表示【操作数栈】最大深度

    • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数

    • 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 5

    • 2a b7 00 01 b1 是字节码指令

    • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2

    • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性

      • 00 00 00 06 表示此属性的总长度，本例是 6

      • 00 01 表示【LineNumberTable】长度

      • 00 00 表示【字节码】行号 00 04 表示【java 源码】行号

    • 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性

      • 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12

      • 00 01 表示【LocalVariableTable】长度

      • 00 00 表示局部变量生命周期开始，相对于字节码的偏移量

      • 00 05 表示局部变量覆盖的范围长度

      • 00 0c 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #12 项，是【this】

      • 00 0d 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #13 项，是【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】

      • 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

      image-20220915160318332

  • 红色代表访问修饰符（本类中是 public static）

  • 蓝色代表引用了常量池 #14 项作为方法名称

  • 绿色代表引用了常量池 #15 项作为方法参数描述

  • 黄色代表方法属性数量，本方法是 2

  • 红色代表方法属性（属性1）

    • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性

    • 00 00 00 37 表示此属性的长度是 55

    • 00 02 表示【操作数栈】最大深度

    • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数

    • 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 9

    • b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 是字节码指令

    • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2

    • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性

      • 00 00 00 0a 表示此属性的总长度，本例是 10

      • 00 02 表示【LineNumberTable】长度

      • 00 00 表示【字节码】行号 00 06 表示【java 源码】行号

      • 00 08 表示【字节码】行号 00 07 表示【java 源码】行号

    • 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性

      • 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12

      • 00 01 表示【LocalVariableTable】长度

      • 00 00 表示局部变量生命周期开始，相对于字节码的偏移量

      • 00 09 表示局部变量覆盖的范围长度

      • 00 10 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #16 项，是【args】

      • 00 11 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #17 项，是【[Ljava/lang/String;】

      • 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

image-20220915155532203

红色代表方法属性（属性2）

  • 00 12 表示引用了常量池 #18 项，发现是【MethodParameters】属性

    • 00 00 00 05 表示此属性的总长度，本例是 5

    • 01 参数数量

    • 00 10 表示引用了常量池 #16 项，是【args】

    • 00 00 访问修饰符

image-20220915155606956

1.7 附加属性

  • 00 01 表示附加属性数量
  • 00 13 表示引用了常量池 #19 项，即【SourceFile】
  • 00 00 00 02 表示此属性的长度
  • 00 14 表示引用了常量池 #20 项，即【HelloWorld.java】

image-20220915161120397

2. 字节码指令

2.1 入门

接着上一节，研究一下两组字节码指令，一个是

public cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld(); 构造方法的字节码指令

2a b7 00 01 b1

  1. 2a => aload_0 加载 slot 0 的局部变量，即 this，做为下面的 invokespecial 构造方法调用的参数

  2. b7 => invokespecial 预备调用构造方法，哪个方法呢？

  3. 00 01 引用常量池中 #1 项，即【 Method java/lang/Object.“”😦)V 】

  4. b1 表示返回

另一个是 public static void main(java.lang.String[]); 主方法的字节码指令

b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1

  1. b2 => getstatic 用来加载静态变量，哪个静态变量呢？

  2. 00 02 引用常量池中 #2 项，即【Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;】

  3. 12 => ldc 加载参数，哪个参数呢？

  4. 03 引用常量池中 #3 项，即 【String hello world】

  5. b6 => invokevirtual 预备调用成员方法，哪个方法呢？\6. 00 04 引用常量池中 #4 项，即【Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V】

  6. b1 表示返回

2.2 javap 工具

自己分析类文件结构太麻烦了，Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件

image-20220918144948840

image-20220918145029385

image-20220918145048920

2.3 图解方法执行流程

1）原始 java 代码
package cn.itcast.jvm.t3.bytecode; 
/**
\* 演示 字节码指令 和 操作数栈、常量池的关系 
*/ 
public class Demo3_1 { 
	public static void main(String[] args) { 
		int a = 10; 
		int b = Short.MAX_VALUE + 1; 
		int c = a + b; 
		System.out.println(c); 

	} 
}
2）编译后的字节码文件

image-20220918145616462

image-20220918145634097

image-20220918145652166

image-20220918145707363

3）常量池载入运行时常量池

image-20220918145925856

4）方法字节码载入方法区

image-20220918150039196

5）****main 线程开始运行，分配栈帧内存

（stack=2，locals=4）

image-20220918150313239

6）执行引擎开始执行字节码

bipush 10

  • 将一个 byte 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节），类似的指令还有
  • sipush 将一个 short 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节）
  • ldc 将一个 int 压入操作数栈
  • ldc2_w 将一个 long 压入操作数栈（分两次压入，因为 long 是 8 个字节）
  • 这里小的数字都是和字节码指令存在一起，超过 short 范围的数字存入了常量池

image-20220918150413534

istore_1

将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1

image-20220918150625517

ldc #3

  • 从常量池加载 #3 数据到操作数栈

  • 注意 Short.MAX_VALUE 是 32767，所以 32768 = Short.MAX_VALUE + 1 实际是在编译期间计算

    好的

image-20220918150818444

istore_2

image-20220918150949586

iload_1

image-20220918151102082

iload_2

image-20220918151121789

iadd

image-20220918151144383

istore_3

image-20220918151207090

getstatic #4

image-20220918151505026

image-20220918151518113

iload_3

image-20220918151553802

invokevirtual #5

  • 找到常量池 #5 项
  • 定位到方法区 java/io/PrintStream.println:(I)V 方法
  • 生成新的栈帧（分配 locals、stack等）
  • 传递参数，执行新栈帧中的字节码

image-20220918151649183

  • 执行完毕，弹出栈帧
  • 清除 main 操作数栈内容

image-20220918151724257

return

  • 完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧
  • 程序结束

2.4 练习 - 分析 i++

目的：从字节码角度分析 a++ 相关题目

源码：

package cn.itcast.jvm.t3.bytecode; 
/**
\* 从字节码角度分析 a++ 相关题目 
*/ 
public class Demo3_2 { 
	public static void main(String[] args) { 
		int a = 10; 
		int b = a++ + ++a + a--; 
		System.out.println(a); 
		System.out.println(b); 
	} 
}

字节码：

image-20220918151942274

image-20220918151952518

分析：

  • 注意 iinc 指令是直接在局部变量 slot 上进行运算
  • a++ 和 ++a 的区别是先执行 iload 还是 先执行 iinc

image-20220918152601027

i++

image-20220918152618654

image-20220918153447512

++i

image-20220918153505049

image-20220918153522255

i–

image-20220918153552547

image-20220918153609335

2.5 条件判断指令

image-20220918175445866

几点说明：

  • byte，short，char 都会按 int 比较，因为操作数栈都是 4 字节
  • goto 用来进行跳转到指定行号的字节码

源码：

public class Demo3_3 { 
	public static void main(String[] args) { 
		int a = 0; 
		if(a == 0) { 
			a = 10; 
		} else { 
			a = 20; 
		} 
	} 
}

字节码：

image-20220918175604609

2.6 循环控制指令

其实循环控制还是前面介绍的那些指令，例如 while 循环：

public class Demo3_4 { 
	public static void main(String[] args) { 
		int a = 0; 
		while (a < 10) { 
			a++; 
		} 
	} 
}

字节码是：

image-20220918215642442

再比如 do while 循环：

public class Demo3_5 { 
	public static void main(String[] args) { 
		int a = 0; 
		do {
			a++; 
		} while (a < 10); 
	} 
}

字节码是：

image-20220918215837677

最后再看看 for 循环：

public class Demo3_6 { 
	public static void main(String[] args) { 
		for (int i = 0; i < 10; i++) { 
		} 
	} 
}

字节码是：

image-20220918215949386

比较while 和 for 的字节码，你发现它们是一模一样的，殊途也能同归😊

2.7 练习 - 判断结果

请从字节码角度分析，下列代码运行的结果：

public class Demo3_6_1 { 
	public static void main(String[] args) { 
		int i = 0; 
		int x = 0; 
		while (i < 10) { 
			x = x++; 
			i++; 
		}
		System.out.println(x); // 结果是 0 
	} 
}

x++ 先iload_x 然后再执行iinc x 1，最后还是slot x中还是0，只是操作数栈上的值+1.

2.8 构造方法

1） ()V
public class Demo3_8_1 {
    static int i = 10;
    
    static {
        i = 20;
    }
    static {
        i = 30;
    }
   
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Demo3_8_1.i);
    }
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 static 静态代码块和静态成员赋值的代码，合并为一个特殊的方

法 ()V ：

image-20220918221158188

()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用

结果 i = 30

2）()V
public class Demo3_8_2 {
    private String a = "s1";

    {
        b = 20;
    }

    private int b = 10;

    {
        a = "s2";
    }

    public Demo3_8_2(String a, int b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo3_8_2 d = new Demo3_8_2("s3", 30);
        System.out.println(d.a);  //"s3"
        System.out.println(d.b);  //30
    }
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} 代码块和成员变量赋值的代码，形成新的构造方法，但原始构

造方法内的代码总是在最后

image-20220918221641619

2.9 方法调用

看一下几种不同的方法调用对应的字节码指令

public class Demo3_9 {
    public Demo3_9() { }

    private void test1() { }

    private final void test2() { }

    public void test3() { }

    public static void test4() { }

    @Override
    public String toString() {
        return super.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo3_9 d = new Demo3_9();
        d.test1();
        d.test2();
        d.test3();
        d.test4();
        Demo3_9.test4();
        d.toString();
    }

}

字节码：

image-20220918222120413

  • new 是创建【对象】，给对象分配堆内存，执行成功会将【对象引用】压入操作数栈
  • dup 是赋值操作数栈栈顶的内容，本例即为【对象引用】，为什么需要两份引用呢，一个是要配合 invokespecial 调用该对象的构造方法 “”😦)V （会消耗掉栈顶一个引用），另一个要配合 astore_1 赋值给局部变量
  • 最终方法（fifinal），私有方法（private），构造方法都是由 invokespecial 指令来调用，属于静态绑定
  • 普通成员方法是由 invokevirtual 调用，属于动态绑定，即支持多态
  • 成员方法与静态方法调用的另一个区别是，执行方法前是否需要【对象引用】
  • 比较有意思的是 d.test4(); 是通过【对象引用】调用一个静态方法，可以看到在调用invokestatic 之前执行了 pop 指令，把【对象引用】从操作数栈弹掉了😂
  • 还有一个执行 invokespecial 的情况是通过 super 调用父类方法

2.10 多态的原理

package cn.itcast.jvm.t3.bytecode;

import java.io.IOException;

/**
 * 演示多态原理，注意加上下面的 JVM 参数，禁用指针压缩
 * -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers
 */
public class Demo3_10 {

    public static void test(Animal animal) {
        animal.eat();
        System.out.println(animal.toString());
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        test(new Cat());
        test(new Dog());
        System.in.read();
    }
}

abstract class Animal {
    public abstract void eat();

    @Override
    public String toString() {
        return "我是" + this.getClass().getSimpleName();
    }
}

class Dog extends Animal {

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("啃骨头");
    }
}

class Cat extends Animal {

    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("吃鱼");
    }
}

1）运行代码

停在 System.in.read() 方法上，这时运行 jps 获取进程 id

2）运行 HSDB 工具

进入 JDK 安装目录，执行

java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

进入图形界面 attach 进程 id

3）查找某个对象

打开 Tools -> Find Object By Query

输入 select d from cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Dog d 点击 Execute 执行

image-20220918223417767

4）查看对象内存结构

点击超链接可以看到对象的内存结构，此对象没有任何属性，因此只有对象头的 16 字节，前 8 字节是MarkWord，后 8 字节就是对象的 Class 指针

但目前看不到它的实际地址

image-20220918223920521

5）查看对象 Class 的内存地址

可以通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行

mem 0x00000001299b4978 2

mem 有两个参数，参数 1 是对象地址，参数 2 是查看 2 行（即 16 字节）

结果中第二行 0x000000001b7d4028 即为 Class 的内存地址

image-20220918224010670

6）查看类的 vtable

方法1：Alt+R 进入 Inspector 工具，输入刚才的 Class 内存地址，看到如下界面

image-20220918224230627

方法2：或者 Tools -> Class Browser 输入 Dog 查找，可以得到相同的结果

image-20220918224303781

无论通过哪种方法，都可以找到 Dog Class 的 vtable 长度为 6，意思就是 Dog 类有 6 个虚方法（多态相关的，fifinal，static 不会列入）

那么这 6 个方法都是谁呢？从 Class 的起始地址开始算，偏移 0x1b8 就是 vtable 的起始地址，进行计算得到：

image-20220918224515176

通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行

image-20220918224547898

就得到了 6 个虚方法的入口地址

7）验证方法地址

通过 Tools -> Class Browser 查看每个类的方法定义，比较可知

image-20220918224620629

对号入座，发现

  • eat() 方法是 Dog 类自己的
  • toString() 方法是继承 String 类的
  • fifinalize() ，equals()，hashCode()，clone() 都是继承 Object 类的

8）小结

当执行 invokevirtual 指令时，

  1. 先通过栈帧中的对象引用找到对象

  2. 分析对象头，找到对象的实际 Class

  3. Class 结构中有 vtable，它在类加载的链接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了

  4. 查表得到方法的具体地址

  5. 执行方法的字节码

2.11 异常处理

try-catch
public class Demo3_11_1 {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (Exception e) {
            i = 20;
        }
    }
}

注意

为了抓住重点，下面的字节码省略了不重要的部分

image-20220918225456957

  • 可以看到多出来一个 Exception table 的结构，[from, to) 是前闭后开的检测范围，一旦这个范围内的字节码执行出现异常，则通过 type 匹配异常类型，如果一致，进入 target 所指示行号
  • 8 行的字节码指令 astore_2 是将异常对象引用存入局部变量表的 slot 2 位置
多个 single-catch 块的情况
public class Demo3_11_2 {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (ArithmeticException e) {
            i = 30;
        } catch (NullPointerException e) {
            i = 40;
        } catch (Exception e) {
            i = 50;
        }
    }

}

image-20220918225801638

因为异常出现时，只能进入 Exception table 中一个分支，所以局部变量表 slot 2 位置被共用

multi-catch 的情况
public class Demo3_11_3 {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Method test = Demo3_11_3.class.getMethod("test");
            test.invoke(null);
        } catch (NoSuchMethodException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void test() {
        System.out.println("ok");
    }
}

image-20220918230059410

finally
public class Demo3_11_4 {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (Exception e) {
            i = 20;
        } finally {
            i = 30;
        }
    }
}

image-20220918230344520

可以看到 fifinally 中的代码被复制了 3 份，分别放入 try 流程，catch 流程以及 catch 剩余的异常类型流

程

2.12 练习 - finally 面试题

finally 出现了 return
public class Demo3_12_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }

    public static int test() {
        int i = 10;
        try {
            return i;
        } finally {
            i = 20;
        }
    }
}

image-20220918230927546

  • 由于 fifinally 中的 ireturn 被插入了所有可能的流程，因此返回结果肯定以 fifinally 的为准
  • 至于字节码中第 2 行，似乎没啥用，且留个伏笔，看下个例子
  • 跟上例中的 fifinally 相比，发现没有 athrow 了，这告诉我们：如果在 finally 中出现了 return，会吞掉异常😱😱😱，可以试一下下面的代码
public class Demo3_12_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }

    public static int test() {
        try {
            int i = 1/0;
            return 10;
        } finally {
            return 20;
        }
    }
}

在finally中出现了return，吞掉了异常，不会出现任何异常

finally 对返回值影响

同样问问自己，下面的题目输出什么？

public class Demo3_12_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);  //10
    }

    public static int test() {
        int i = 10;
        try {
            return i;
        } finally {
            i = 20;
        }
    }
}

image-20220918232404292

2.13 synchronized

public class Demo3_13 {

    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }
}

image-20220920093339863

注意

方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

3. 编译期处理

所谓的 语法糖 ，其实就是指 java 编译器把 *.java 源码编译为 *.class 字节码的过程中，自动生成

和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利（给糖吃

嘛）

注意，以下代码的分析，借助了 javap 工具，idea 的反编译功能，idea 插件 jclasslib 等工具。另外，

编译器转换的结果直接就是 class 字节码，只是为了便于阅读，给出了 几乎等价 的 java 源码方式，并

不是编译器还会转换出中间的 java 源码，切记。

3.1 默认构造器

public class Candy1 { 
}

编译成class后的代码：

public class Candy1 { 
	// 这个无参构造是编译器帮助我们加上的 
	public Candy1() { 
		super(); // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object." 
		<init>":()V 
	} 
}

3.2 自动拆装箱

这个特性是 JDK 5 开始加入的， 代码片段1 ：

public class Candy2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = 1;
        int y = x;
    }
}

这段代码在 JDK 5 之前是无法编译通过的，必须改写为 代码片段2 :

public class Candy2 { 
	public static void main(String[] args) { 
		Integer x = Integer.valueOf(1); 
		int y = x.intValue(); 
	} 
}

显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是

包装类型），因此这些转换的事情在 JDK 5 以后都由编译器在编译阶段完成。即 代码片段1 都会在编

译阶段被转换为 代码片段2

3.3 泛型集合取值

泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行 泛型擦除 的动作，即泛型信息

在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理：

public class Candy3 { 
	public static void main(String[] args) { 
		List<Integer> list = new ArrayList<>(); 
		list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e) 
		Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index); 
	} 
}

所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

// 需要将 Object 转为 Integer 
Integer x = (Integer)list.get(0);

如果前面的 x 变量类型修改为 int 基本类型那么最终生成的字节码是：

// 需要将 Object 转为 Integer, 并执行拆箱操作 
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

还好这些麻烦事都不用自己做。

擦除的是字节码上的泛型信息，可以看到 LocalVariableTypeTable 仍然保留了方法参数泛型的信息

image-20220920222312532

image-20220920222324638

使用反射，仍然能够获得这些信息：

public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) { 
}

Method test = Candy3.class.getMethod("test", List.class, Map.class); 
Type[] types = test.getGenericParameterTypes(); 
for (Type type : types) { 
    if (type instanceof ParameterizedType) { 
		ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type; 
		System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType()); 
		Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments(); 
		for (int i = 0; i < arguments.length; i++) { 
			System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]); 
		} 
	} 
}

输出

原始类型 - interface java.util.List

泛型参数[0] - class java.lang.String

原始类型 - interface java.util.Map

泛型参数[0] - class java.lang.Integer

泛型参数[1] - class java.lang.Object

3.4 可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性：

例如：

public class Candy4 {
    public static void foo(String... args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }
    public static void main(String[] args) {
        foo("hello", "world");
    }
}

可变参数 String… args 其实是一个 String[] args ，从代码中的赋值语句中就可以看出来。

同样 java 编译器会在编译期间将上述代码变换为：

public class Candy4 { 
	public static void foo(String[] args) { 
		String[] array = args; // 直接赋值 
		System.out.println(array); 
	}

public static void main(String[] args) { 
	foo(new String[]{"hello", "world"}); 
	} 
}

注意

如果调用了 foo() 则等价代码为 foo(new String[]{}) ，创建了一个空的数组，而不会传递null 进去

3.5 foreach 循环

仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

public class Candy5_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5}; // 数组赋初值的简化写法也是语法糖哦
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

会被编译器转换为：

public class Candy5_1 { 
	public Candy5_1() { 
	}

	public static void main(String[] args) { 
		int[] array = new int[]{1, 2, 3, 4, 5}; 
		for(int i = 0; i < array.length; ++i) { 
			int e = array[i]; 
		System.out.println(e); 
		} 
	}
}

而集合的循环：


public class Candy5_2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        for (Integer i : list) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

实际被编译器转换为对迭代器的调用：

public class Candy5_2 { 
	public Candy5_2() { 
	}
	public static void main(String[] args) { 
		List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5); 
		Iterator iter = list.iterator(); 
		while(iter.hasNext()) { 
			Integer e = (Integer)iter.next(); 
			System.out.println(e); 
		} 
	} 
}

注意

foreach 循环写法，能够配合数组，以及所有实现了 Iterable 接口的集合类一起使用，其中Iterable 用来获取集合的迭代器（ Iterator ）

3.6 switch 字符串

从 JDK 7 开始，switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

public class Candy6_1 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

注意

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为null，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清楚

会被编译器转换为：

public class Candy6_1 { 
	public Candy6_1() { 

	}
	public static void choose(String str) { 
		byte x = -1; 
		switch(str.hashCode()) { 
        case 99162322: // hello 的 hashCode 
        	if (str.equals("hello")) {
        		x = 0; 
        	}
        	break; 
        case 113318802: // world 的 hashCode 
        	if (str.equals("world")) { 
        		x = 1; 
        	} 
        }
		switch(x) { 
		case 0: 
			System.out.println("h"); 
			break; 
		case 1: 
			System.out.println("w"); 
		} 
	} 
}

可以看到，执行了两遍 switch，第一遍是根据字符串的 hashCode 和 equals 将字符串的转换为相应byte 类型，第二遍才是利用 byte 执行进行比较。

为什么第一遍时必须既比较 hashCode，又利用 equals 比较呢？hashCode 是为了提高效率，减少可能的比较；而 equals 是为了防止 hashCode 冲突，例如 BM 和 C. 这两个字符串的hashCode值都是2123 ，如果有如下代码：

public class Candy6_2 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "BM": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "C.": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

会被编译器转换为：

public class Candy6_2 { 
	public Candy6_2() { 

	}
	public static void choose(String str) { 
		byte x = -1; 
		switch(str.hashCode()) { 
		case 2123: // hashCode 值可能相同，需要进一步用 equals 比较 
			if (str.equals("C.")) { 
				x = 1; 
			} else if (str.equals("BM")) { 
				x = 0; 
			} 
		default:
			switch(x) { 
			case 0: 
				System.out.println("h"); 
				break; 
			case 1: 
				System.out.println("w"); 
			} 
		} 
	} 
}

3.7 switch 枚举

switch 枚举的例子，原始代码：

enum Sex { 
	MALE, FEMALE 
}

public class Candy7 {
    public static void foo(Sex sex) {
        switch (sex) {
            case MALE:
                System.out.println("男"); break;
            case FEMALE:
                System.out.println("女"); break;
        }
    }
}

转换后代码：

public class Candy7 { 
/**
\* 定义一个合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见） 
\* 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系 
\* 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始 
\* 即 MALE 的 ordinal()=0，FEMALE 的 ordinal()=1 
*/ 

	static class $MAP { 
		// 数组大小即为枚举元素个数，里面存储case用来对比的数字 
		static int[] map = new int[2]; 
		static { 
			map[Sex.MALE.ordinal()] = 1; 
			map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2; 
		} 
	}

	public static void foo(Sex sex) { 
		int x = $MAP.map[sex.ordinal()]; 
		switch (x) { 
			case 1: 
				System.out.println("男"); 
				break; 
			case 2:
				System.out.println("女"); 
				break; 
		} 
	} 
}

3.8 枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

enum Sex { 
	MALE, FEMALE 
}

转换后代码：

image-20220920225138763

3.9 try-with-resources

JDK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources`：

try(资源变量 = 创建资源对象){ 

} catch( ) {

}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如 InputStream 、 OutputStream 、 Connection 、 Statement 、 ResultSet 等接口都实现了 AutoCloseable ，使用 try-with- resources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成关闭资源代码，例如：

public class Candy9 {
    public static void main(String[] args) {
        try(InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt")) {
            System.out.println(is);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

会被转换为:

image-20220920225608816

image-20220920225628896

为什么要设计一个 addSuppressed(Throwable e) （添加被压制异常）的方法呢？是为了防止异常信息的丢失（想想 try-with-resources 生成的 finanlly 中如果抛出了异常）：

image-20220920230044927

输出：

image-20220920230124791

如以上代码所示，两个异常信息都不会丢。

3.10 方法重写时的桥接方法

我们都知道，方法重写时对返回值分两种情况：

  • 父子类的返回值完全一致
  • 子类返回值可以是父类返回值的子类（比较绕口，见下面的例子）
class A { 
	public Number m() { 
		return 1; 
	} 
}

class B extends A { 
	@Override 
	// 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类 
	public Integer m() { 
		return 2; 
	} 
}

对于子类，java 编译器会做如下处理：

class B extends A { 
	public Integer m() { 
		return 2; 
	}
	// 此方法才是真正重写了父类 public Number m() 方法 
	public synthetic bridge Number m() { 
		// 调用 public Integer m() 
		return m(); 
	} 
}

其中桥接方法比较特殊，仅对 java 虚拟机可见，并且与原来的 public Integer m() 没有命名冲突，可以用下面反射代码来验证：

for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) { 
	System.out.println(m); 
}

会输出：

public java.lang.Integer test.candy.B.m() 
public java.lang.Number test.candy.B.m()

3.11 匿名内部类

源代码：

public class Candy11 { 
	public static void main(String[] args) { 
		Runnable runnable = new Runnable() { 
			@Override 
			public void run() { 
				System.out.println("ok"); 
			} 
		}; 
	} 
}

转换后代码：

image-20220920230806959

public class Candy11 { 
	public static void main(String[] args) { 
		Runnable runnable = new Candy11$1(); 
	} 
}

引用局部变量的匿名内部类，源代码：

image-20220920231525039

转换后代码：

image-20220920231626831

注意

这同时解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 fifinal 的：因为在创建Candy11$1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy11 1 对象的 v a l 1 对象的 val 1对象的valx 属性，所以 x 不应该再发生变化了，如果变化，那么 val$x 属性没有机会再跟着一起变化

4. 类加载阶段

4.1 加载

将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：

  • _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用
  • _super 即父类
  • _fifields 即成员变量
  • _methods 即方法
  • _constants 即常量池
  • _class_loader 即类加载器
  • _vtable 虚方法表
  • _itable 接口方法表

如果这个类还有父类没有加载，先加载父类

加载和链接可能是交替运行的

–

注意

instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror

是存储在堆中

可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

–

image-20220922163723962

4.2 链接

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查

用 UE 等支持二进制的编辑器修改 HelloWorld.class 的魔数，在控制台运行

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image-20220922164413426

准备

为 static 变量分配空间，设置默认值

  • static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
  • static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
  • 如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
  • 如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用

public class Load2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
        // loadClass 方法不会导致类的解析和初始化
//        ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();
//        Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");
        new C();
        System.in.read();
    }
}

class C {
    D d = new D();
}

class D {

}

4.3 初始化

()V 方法

初始化即调用 ()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

发生的时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

  • main 方法所在的类，总会被首先初始化
  • 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
  • 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
  • 子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
  • Class.forName
  • new 会导致初始化

不会导致类初始化的情况

  • 访问类的 static fifinal 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
  • 类对象.class 不会触发初始化
  • 创建该类的数组不会触发初始化
  • 类加载器的 loadClass 方法
  • Class.forName 的参数 2 为 false 时

实验

class A {
    static int a = 0;
    static {
        System.out.println("a init");
    }
}

class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;
    static {
        System.out.println("b init");
    }
}

验证（实验时请先全部注释，每次只执行其中一个）

public class Load3 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
//        // 1. 静态常量不会触发初始化
//        System.out.println(B.b);
//        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
//        System.out.println(B.class);
//        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
//        System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.B");
//        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
//        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
//        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.B", false, c2);
        System.in.read();


//        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
//        System.out.println(A.a);
//        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
//        System.out.println(B.c);
//        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
//        System.out.println(B.a);
//        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
//        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.B");


    }
}

4.4 练习

从字节码分析，使用 a，b，c 这三个常量是否会导致 E 初始化

public class Load4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);
        System.out.println(E.b);
        System.out.println(E.c);

    }
}

class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;  // Integer.valueOf(20)
    static {
        System.out.println("init E");
    }
}

a,b会在类链接的准备阶段进行赋值，不会导致初始化，c是包装类型，Integer.valueof(20)，虽然是静态的，但也不会在准备阶段完成，会推迟到初始化阶段完成。

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式

image-20220923133407307

以上的实现特点是：

  • 懒惰实例化
  • 初始化时的线程安全是有保障的

5. 类加载器

以 JDK 8 为例：

image-20220928200501108

5.1 启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

image-20220928200840134

执行

image-20220928200940240

输出

image-20220928200957846

打印NULL， //APP Classloader Extension Classloader , 说明是Bootstrap Classloader

  • -Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath

  • 其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后

  • 可以用这个办法替换核心类

    • java -Xbootclasspath:

    • java -Xbootclasspath/a:<追加路径>

    • java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

5.2 扩展类加载器

image-20220928201536742

写一个同名的类

image-20220928201739611

打个 jar 包

image-20220928201801306

将 jar 包拷贝到 JAVA_HOME/jre/lib/ext

重新执行 Load5_2

输出

image-20220928201819284

5.3 双亲委派模式

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则

注意

这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

image-20220928202122027

例如：

image-20220928202559814

执行流程为：

\1. sun.misc.Launcher$AppClassLoader //1 处， 开始查看已加载的类，结果没有

\2. sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 2 处，委派上级

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()

\3. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 1 处，查看已加载的类，结果没有

\4. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader

查找

\5. BootstrapClassLoader 是在 JAVA_HOME/jre/lib 下找 H 这个类，显然没有

\6. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 4 处，调用自己的 fifindClass 方法，是在

JAVA_HOME/jre/lib/ext 下找 H 这个类，显然没有，回到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader

的 // 2 处

\7. 继续执行到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 4 处，调用它自己的 fifindClass 方法，在

classpath 下查找，找到了

5.4 线程上下文类加载器

我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？

让我们追踪一下源码：

image-20220928203145885

先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());

打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，JAVA_HOME/jre/lib 下显然没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar 包，这样问题来了，在DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 com.mysql.jdbc.Driver 呢？

继续看 loadInitialDrivers() 方法：

image-20220928203312043

image-20220928203331512

先看 2）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此可以顺利完成类加载

再看 1）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）

约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

image-20220929094533459

image-20220929094640316

来得到实现类，体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

  • JDBC
  • Servlet 初始化器
  • Spring 容器
  • Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

接着看 ServiceLoader.load 方法：

image-20220929094811632

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类LazyIterator 中：

image-20220929094833036

image-20220929094843426

5.5 自定义类加载器

问问自己，什么时候需要自定义类加载器

  • 1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
  • 2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
  • 3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

  • \1. 继承 ClassLoader 父类
  • \2. 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法
  • 注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
  • \3. 读取类文件的字节码
  • \4. 调用父类的 defifineClass 方法来加载类
  • \5. 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法
package cn.itcast.jvm.t3.load;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;

public class Load7 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> c1 = classLoader.loadClass("MapImpl1");
        Class<?> c2 = classLoader.loadClass("MapImpl1");
        System.out.println(c1 == c2);

        MyClassLoader classLoader2 = new MyClassLoader();
        Class<?> c3 = classLoader2.loadClass("MapImpl1");
        System.out.println(c1 == c3);

        c1.newInstance();
    }
}

class MyClassLoader extends ClassLoader {

    @Override // name 就是类名称
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String path = "e:\\myclasspath\\" + name + ".class";

        try {
            ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
            Files.copy(Paths.get(path), os);

            // 得到字节数组
            byte[] bytes = os.toByteArray();

            // byte[] -> *.class
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException("类文件未找到", e);
        }
    }
}

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6. 运行期优化

6.1 即时编译

分层编译

（TieredCompilation）

先来个例子

package cn.itcast.jvm.t3.jit;

public class JIT1 {

    // -XX:+PrintCompilation -XX:-DoEscapeAnalysis
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                new Object();
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\n",i,(end - start));
        }
    }
}

JVM 将执行状态分成了 5 个层次：

  • 0 层，解释执行（Interpreter）
  • 1 层，使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profifiling）
  • 2 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的 profifiling）
  • 3 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的 profifiling）
  • 4 层，使用 C2 即时编译器编译执行

profiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的回边次数】等

即时编译器（JIT）与解释器的区别

  • 解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
  • JIT 是将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
  • 解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码

JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。 执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由来），优化之

刚才的一种优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸。可以使用 -XX:-DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果

方法内联

（Inlining）

private static int square(final int i) { 
	return i * i; 
}

System.out.println(square(9));

如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置：

System.out.println(9 * 9);

还能够进行常量折叠（constant folding）的优化

System.out.println(81);

实验：

public class JIT2 {
    // -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining -XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square
    // -XX:+PrintCompilation

    public static void main(String[] args) {

        int x = 0;
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                x = square(9);

            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\t%d\n",i,x,(end - start));
        }
    }

    private static int square(final int i) {
        return i * i;
    }
}

字段优化

JMH 基准测试请参考：http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/

创建 maven 工程，添加依赖如下

image-20220929101802833

编写基准测试代码：

package test;

import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

@Warmup(iterations = 2, time = 1)
@Measurement(iterations = 5, time = 1)
@State(Scope.Benchmark)
public class Benchmark1 {

    int[] elements = randomInts(1_000);

    private static int[] randomInts(int size) {
        Random random = ThreadLocalRandom.current();
        int[] values = new int[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            values[i] = random.nextInt();
        }
        return values;
    }

    @Benchmark
    public void test1() {
        for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
            doSum(elements[i]);
        }
    }

    @Benchmark
    public void test2() {
        int[] local = this.elements;
        for (int i = 0; i < local.length; i++) {
            doSum(local[i]);
        }
    }

    @Benchmark
    public void test3() {
        for (int element : elements) {
            doSum(element);
        }
    }

    static int sum = 0;

    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.INLINE)
    static void doSum(int x) {
        sum += x;
    }


    public static void main(String[] args) throws RunnerException {
        Options opt = new OptionsBuilder()
                .include(Benchmark1.class.getSimpleName())
                .forks(1)
                .build();

        new Runner(opt).run();
    }
}

首先启用 doSum 的方法内联，测试结果如下（每秒吞吐量，分数越高的更好）：

image-20220929102359558

接下来禁用 doSum 方法内联

@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE) 
	static void doSum(int x) { 
	sum += x; 
}

测试结果如下：

image-20220929102528143

分析：

在刚才的示例中，doSum 方法是否内联会影响 elements 成员变量读取的优化：

如果 doSum 方法内联了，刚才的 test1 方法会被优化成下面的样子（伪代码）：

image-20220929102723121

可以节省 1999 次 Field 读取操作

但如果 doSum 方法没有内联，则不会进行上面的优化

练习：在内联情况下将 elements 添加 volatile 修饰符，观察测试结果

6.2 反射优化

public class Reflect1 {

    public static void foo() {
        System.out.println("foo...");
    }

    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException, IOException {
        Method foo = Reflect1.class.getMethod("foo");
        for (int i = 0; i <= 16; i++) {
            System.out.printf("%d\t", i);
            foo.invoke(null);
        }
        System.in.read();
    }
}

foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现

image-20220929105347080

image-20220929105405916

image-20220929105419769

当调用到第 16 次（从0开始算）时，会采用运行时生成的类代替掉最初的实现，可以通过 debug 得到类名为 sun.reflflect.GeneratedMethodAccessor1

可以使用阿里的 arthas 工具：

java -jar arthas-boot.jar 
[INFO] arthas-boot version: 3.1.1 
[INFO] Found existing java process, please choose one and hit RETURN. 
\* [1]: 13065 cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1

选择 1 回车表示分析该进程

image-20220929105529812

再输入【jad + 类名】来进行反编译

image-20220929105553379

image-20220929105604625

注意

通过查看 ReflectionFactory 源码可知

sun.reflflect.noInflflation 可以用来禁用膨胀（直接生成 GeneratedMethodAccessor1，但首次生成比较耗时，如果仅反射调用一次，不划算）

sun.reflflect.inflflationThreshold 可以修改膨胀阈值

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