【Java核心技术卷】谈谈对Java平台的理解

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#Java核心技术 卷1

本文深入探讨Java平台的核心组成，包括Java语言、字节码、JVM及跨平台机制。解析Java如何实现一次编写，随处运行的特性，以及垃圾回收机制对程序员的影响。详细介绍了Java程序从源代码到执行的全过程，包括解释器、JIT编译器的作用。

专题 | 谈谈对Java平台的理解

2019年4月24日下午    沉晓
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学Java已经快两个月了,结果被问到 "你能给我解释一下什么是Java平台吗?"
结果支支吾吾地说了一大堆,却毫无逻辑可言,感觉超级失败
我觉得很有必要重新谈谈我对Java平台的认识,帮我理清逻辑的同时,希望能够帮助你.

Java平台如何理解

Java平台的体系包括了以下几个重要组成部分：

  • Java程序设计语言
  • Class文件格式
  • 各种硬件平台上的Java虚拟机
  • Java API类库及相关工具
  • 来自商业机构和开源社区第三方Java类库

就Java平台而言, Java是一种面向对象的语言,它拥有两个显著的特性:

  1. 跨平台,号称 一次编写,随处运行
  2. 垃圾收集（GC, Garbage Collection），Java 通过垃圾收集器（Garbage Collector）回收分配内存，
    大部分情况下，程序员不需要自己操心内存的分配和回收。

说到跨平台, 就需要引入Java的从源代码到执行的过程存在的机制了:
Java源程序首先要通过编译,翻译成字节码文件(.class文件), 字节码文件再通过Java的虚拟机的解释器和JIT(即时编译器),翻译成二进制交给CPU进行执行.
在这里插入图片描述

主流版本 JDK8

所有的程序,最终都要回归二进制,由CPU进行执行, 跨平台的关键就在于编译之后,:
首先讲一下虚拟机(JVM), JVM有针对各个操作系统对应的版本, 能够调用相应操作系统的API, 对于这种"中间件",需要建立一套标准,这套标准的语言规范就是字节码语言规范.

你可能会迷惑,我这里说明一下, Java程序语言规范不同于字节码语言规范, Java诞生早期,它们在语法上类似,功能上类似.
随着Java的发展, Java需要引入了很多特性,但是作为JVM支持的字节码语言规范不能够轻易变更, 就需要在Java程序语言规范和编译器上加一些东西,使JVM能够支持, 比如说泛型和内部类, JVM是不认这个的, 只是编译器动了一些手脚,让JVM能够去支持,如果想进一步了解,可以看我的专栏 <Java核心技术 卷1>

Java编译器编译Java后翻译成字节码文件,而不是二进制,使得Java具备了跨平台的能力.
说到这里,想多点关于JVM将字节码文件翻译成二进制的过程,
JVM采用 解释和编译混合的一种模式，即所谓的混合模式（-Xmixed）。
通常运行在 server 模式的 JVM，会进行上万次调用以收集足够的信息进行高效的编译，client 模式这个门限是 1500 次。
Java发展那么多年,经过统计研究表明, "绝大多数应用程序,都表现为: 小部分的代码,耗费了大多数的资源", 基于这种分析,有些方法和代码块是高频率调用的，也就是所谓的热点代码，所以通过即时编译器，提前将这类字节码直接编译成本地机器码。这样类似于缓存技术，运行时再遇到这类代码直接可以执行，而不是先解释后执行,这也是Java速度为什么提高如此之快的原因了.但是千万别认为,编译后,再去执行速度就会很快, “-Xcomp”会导致 JVM 启动变慢非常多，同时有些 JIT 编译器优化方式，比如分支预测，如果不进行 profiling，往往并不能进行有效优化。

解释: server是服务器端 client是客户端

Oracle Hotspot JVM 内置了两个不同的 JIT compiler，C1 对应前面说的 client 模式，适用于对于启动速度敏感的应用，比如普通 Java 桌面应用；C2 对应 server 模式，它的优化是为长时间运行的服务器端应用设计的。默认是采用所谓的分层编译（TieredCompilation）。关于分层编译的内容,以后会写到.
Oracle JDK9 支持分层编译和 AOT 协作使用， 其中AOT（Aheadof-Time Compilation），直接将字节码编译成机器代码，这样就避免了 JIT 预热等各方面的开销，因为我个人对这个也不太了解,可以参考http://openjdk.java.net/jeps/295。

在这里突然想穿插一些内容:
Python的热度近年来持续升高, 加之go语言和Node.js的发展,多少撼动了Java后端的地位.
但是未来的主流是混合编程, 现在Python是通过解释器执行的, 但是Python通过某种改变可以在Jython(虚拟机)上面运行,这也是Java虚拟机带动发展的结果. 如果走到了混合编程的那一天,在不同的场景选择合适的语言, 带来的好处将超乎人们的想象.

对于垃圾回收机制, 今后,我会开一个专栏<深入理解Java虚拟机>,你或许听过这本书,我会在这个专栏里,记载我的感悟. 还有 Java API类库及相关工具 和 来自商业机构和开源社区第三方Java类库, 这个就需要项目经验了, 靠时间博得的东西拉不开差距, 拉得开差距的地方在于对Java核心技术的掌握, 无非就是你付出了多少时间 ,你忍受了多少寂寞, 耐住性子深入学习了多久.

沉晓
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// 静态方式 Class<?> intClass = Class.forName("java.lang.Integer"); // 动态加载类 System.out.println("类名: " + intClass.getName()); // 输出: java.lang.Integer ``` ##### **步骤 2: 获取并调用方法** 通过 `Class` 对象获取 `Method`，并用 `invoke()` 调用方法。示例：获取 `Integer` 类的公开方法并调用。 ```java import java.lang.reflect.Method; public class ReflectionExample { public static void main(String[] args) throws Exception { // 获取 Integer 类的 Class 对象 Class<?> intClass = Class.forName("java.lang.Integer"); // 获取特定方法，例如 parseInt 方法 Method parseIntMethod = intClass.getMethod("parseInt", String.class); // 调用方法: 参数为待转换的字符串 int result = (Integer) parseIntMethod.invoke(null, "123"); System.out.println("parseInt 结果: " + result); // 输出: 123 // 获取所有方法（包括继承和接口） Method[] methods = intClass.getMethods(); for (Method method : methods) { System.out.println("方法名: " + method.getName()); } } } ``` 此示例展示了动态调用静态方法 `parseInt`，并通过 `getMethods()` 列出所有公开方法[^3]。 ##### **步骤 3: 获取并实例化对象（构造器）** 使用 `Constructor` 类创建对象实例。示例：获取私有构造器并强制访问（需设置访问权限）。 ```java import java.lang.reflect.Constructor; public class ReflectionExample { public static void main(String[] args) throws Exception { Class<?> listClass = Class.forName("java.util.ArrayList"); // 获取无参公开构造器并实例化 Constructor<?> publicConstructor = listClass.getConstructor(); Object listObject = publicConstructor.newInstance(); System.out.println("实例化对象: " + listObject.getClass()); // 输出: class java.util.ArrayList // 获取私有构造器（需访问控制） Constructor<?>[] allConstructors = listClass.getDeclaredConstructors(); for (Constructor<?> constructor : allConstructors) { constructor.setAccessible(true); // 开启访问权限 Object instance = constructor.newInstance(); // 实例化 System.out.println("使用私有构造器: " + instance); } } } ``` 这里，`getDeclaredConstructors()` 获取所有构造器（包括私有），`setAccessible(true)` 可绕过访问修饰符限制[^4]。 ##### **步骤 4: 访问和修改字段** 使用 `Field` 类读取或设置对象字段。示例：修改对象的私有字段。 ```java import java.lang.reflect.Field; public class ReflectionExample { public static void main(String[] args) throws Exception { Class<?> personClass = Class.forName("Person"); Object person = personClass.getConstructor().newInstance(); // 获取私有字段 "name" Field nameField = personClass.getDeclaredField("name"); nameField.setAccessible(true); // 开启访问 nameField.set(person, "John Doe"); // 设置值 System.out.println("姓名: " + nameField.get(person)); // 输出: John Doe } } // 辅助类 Person class Person { private String name = ""; public Person() {} } ``` 此例中，`getDeclaredField()` 获取私有字段，`set()` 修改其值[^1]。 ##### **步骤 5: 其他操作：接口和类加载** - **获取实现接口**：使用 `Class.getInterfaces()`，如引用[3]中的示例[^3]。 - **类加载过程**：类在运行时由 ClassLoader 加载到 JVM，形成 `Class` 对象（涉及加载、链接、初始化阶段）[^1]。 #### 4. **反射的实际应用场景和注意事项** - **典型应用**：常用于框架开发（如Spring依赖注入）、单元测试（Mock对象）、序列化库（JSON解析）、动态代理。 - **注意事项**： - **性能**: 反射操作比静态调用慢（涉及动态解析），应避免在高频代码中使用。 - **安全性**: 反射可访问私有成员，可能破坏封装性；启用安全管理器限制反射操作。 - **兼容性**: 类结构变更可能导致反射代码失败，确保错误处理（如 `ClassNotFoundException`）。 #### 5. **总结** Java 反射机制是一个强大的工具，通过运行时操作类元数据，实现了高度的动态性和灵活性。核心包括 `Class`、`Method`、`Field` 和 `Constructor` 类，使用流程涉及获取类对象、操作成员和实例化对象。结合代码示例，您可以快速上手反射的使用。但在实际应用中，需权衡性能与灵活性[^2][^4]。 ### 相关问题 1. 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