Java字节码技术 static、final、volatile、synchronized关键字的字节码体现 转
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Java字节码技术(一)static、final、volatile、synchronized关键字的字节码体现
static、final、volatile关键字
static：static修饰的变量被所有类实例共享，静态变量在其所在类被加载时进行初始化，静态方法中不能引用非静态变量或函数
final：final修饰的变量不可修改(基本类型值不能修改，引用类型引用不可修改)，final修饰的方法，不可重写、不可继承
volatile：volatile修饰的成员变量在每次被线程访问时，都从主内存中重新读取该成员变量的值。而且，当成员变量发生变化时，强迫线程将变化值回写到主内存
synchronized：Synchronized关键字就是用于代码同步，用于控制多线程同步访问同一变量或方法
这些Java关键字的作用，大家或多或少都听过，但是为什么会有这种效果呢？本文从Java字节码层面做简单分析
那么什么又是字节码呢?
什么是字节码
Java之所以可以“一次编译，到处运行”，一是因为JVM针对各种操作系统、平台都进行了定制，二是因为无论在什么平台，都可以编译生成固定格式的字节码（.class文件）供JVM使用。因此，也可以看出字节码对于Java生态的重要性。之所以被称之为字节码，是因为字节码文件由十六进制值组成，而JVM以两个十六进制值为一组，即以字节为单位进行读取。
.class文件就是Java代码编译后产生的字节码文件，看下具体实例
用Sublime Text以文本文件打开，显示如下
Javap命令查看字节码文件
先写一段如下代码，非常简单
定义一个抽象类JavaTestController
变量a为静态成员变量(int)
变量b为普通成员变量(int)
变量c为volatile修饰的变量(int)
变量d为final修饰的变量(String)
变量s为字符串(String)
变量o为Object类型(Object)
public abstract class JavaTestController { public static int a = 1; public int b = 2; public volatile int c = 3; public final int d = 4; private String s = "5"; private Object o = new Object(); public void test() { System.out.println("1"); } }
那么问题来了，文本形式看到.class文件全是十六进制的代码，有没更人性化的展示呢？
javap是jdk自带的反解析工具。它的作用就是根据class字节码文件，反解析出当前类对应的code区（汇编指令）、本地变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等等信息
命令如下
javap -verbose class文件路径
看下这段代码使用javap命令输出的的字节码
Classfile /Users/chenyin/IdeaProjects/spring-boot-api-project-seed/target/classes/com/company/project/biz/controller/JavaTestController.class Last modified 2019-9-19; size 883 bytes MD5 checksum 9ac63f28ebe7c6a65dd6c5a12913e064 Compiled from "JavaTestController.java" public abstract class com.company.project.biz.controller.JavaTestController minor version: 0 major version: 52 flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER, ACC_ABSTRACT Constant pool: #1 = Methodref #7.#36 // java/lang/Object."<init>":()V #2 = Fieldref #13.#37 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController.b:I #3 = Fieldref #13.#38 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController.c:I #4 = Fieldref #13.#39 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController.d:I #5 = String #40 // 5 #6 = Fieldref #13.#41 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController.s:Ljava/lang/String; #7 = Class #42 // java/lang/Object #8 = Fieldref #13.#43 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController.o:Ljava/lang/Object; #9 = Fieldref #44.#45 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; #10 = String #46 // 1 #11 = Methodref #47.#48 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V #12 = Fieldref #13.#49 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController.a:I #13 = Class #50 // com/company/project/biz/controller/JavaTestController #14 = Utf8 a #15 = Utf8 I #16 = Utf8 b #17 = Utf8 c #18 = Utf8 d #19 = Utf8 ConstantValue #20 = Integer 4 #21 = Utf8 s #22 = Utf8 Ljava/lang/String; #23 = Utf8 o #24 = Utf8 Ljava/lang/Object; #25 = Utf8 <init> #26 = Utf8 ()V #27 = Utf8 Code #28 = Utf8 LineNumberTable #29 = Utf8 LocalVariableTable #30 = Utf8 this #31 = Utf8 Lcom/company/project/biz/controller/JavaTestController; #32 = Utf8 test #33 = Utf8 <clinit> #34 = Utf8 SourceFile #35 = Utf8 JavaTestController.java #36 = NameAndType #25:#26 // "<init>":()V #37 = NameAndType #16:#15 // b:I #38 = NameAndType #17:#15 // c:I #39 = NameAndType #18:#15 // d:I #40 = Utf8 5 #41 = NameAndType #21:#22 // s:Ljava/lang/String; #42 = Utf8 java/lang/Object #43 = NameAndType #23:#24 // o:Ljava/lang/Object; #44 = Class #51 // java/lang/System #45 = NameAndType #52:#53 // out:Ljava/io/PrintStream; #46 = Utf8 1 #47 = Class #54 // java/io/PrintStream #48 = NameAndType #55:#56 // println:(Ljava/lang/String;)V #49 = NameAndType #14:#15 // a:I #50 = Utf8 com/company/project/biz/controller/JavaTestController #51 = Utf8 java/lang/System #52 = Utf8 out #53 = Utf8 Ljava/io/PrintStream; #54 = Utf8 java/io/PrintStream #55 = Utf8 println #56 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V { public static int a; descriptor: I flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC public int b; descriptor: I flags: ACC_PUBLIC public volatile int c; descriptor: I flags: ACC_PUBLIC, ACC_VOLATILE public final int d; descriptor: I flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL ConstantValue: int 4 public com.company.project.biz.controller.JavaTestController(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=3, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 4: aload_0 5: iconst_2 6: putfield #2 // Field b:I 9: aload_0 10: iconst_3 11: putfield #3 // Field c:I 14: aload_0 15: iconst_4 16: putfield #4 // Field d:I 19: aload_0 20: ldc #5 // String 5 22: putfield #6 // Field s:Ljava/lang/String; 25: aload_0 26: new #7 // class java/lang/Object 29: dup 30: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 33: putfield #8 // Field o:Ljava/lang/Object; 36: return LineNumberTable: line 8: 0 line 10: 4 line 11: 9 line 12: 14 line 13: 19 line 14: 25 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 37 0 this Lcom/company/project/biz/controller/JavaTestController; public void test(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=1, args_size=1 0: getstatic #9 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: ldc #10 // String 1 5: invokevirtual #11 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 8: return LineNumberTable: line 17: 0 line 18: 8 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 9 0 this Lcom/company/project/biz/controller/JavaTestController; static {}; descriptor: ()V flags: ACC_STATIC Code: stack=1, locals=0, args_size=0 0: iconst_1 1: putstatic #12 // Field a:I 4: return LineNumberTable: line 9: 0 } SourceFile: "JavaTestController.java"
大家肯定觉得很长，怎么解读呢？
字节码文件解读
每个字节码文件都是按照如下格式产生的，下面逐个分析
1.魔数
这需要在文本模式的class文件中查看，固定的字符串“0XCAFEBABE”，标识其是一个class文件，CAFEBABE英文意为咖啡宝贝，与Java图标对应
2.版本号
minor version: 0 major version: 52
对应文本中的
0034转化到10进制就是52，52对应Java版本1.8
- 常量池
常量池中存储两类常量：字面量与符号引用。字面量为代码中声明为Final的常量值，符号引用如类和接口的全局限定名、字段的名称和描述符、方法的名称和描述符
整体分为：常量池计数器以及常量池数据区
先看常量池计数器：
002a标识共有(57-1)=56个常量
对应到javap命令中的常量池，也是56个
再看常量池的数据区，即数据如何展示的
56个常量池数据项，以第一个为例做分析，即下面的数据是如何从16进制转化而来的
#1 = Methodref #7.#36 // java/lang/Object."<init>":()V
先来看一个结构图
这是Methodref的常量池数据线字节码分布图，什么意思呢？
即第一个字节的16进制标志其tag为10，对应到下图0a即标识接下来的常量池tag=10，是methodref类型
接下来的2byte为指向声明方法的描述符索引项
0007转化到十进制也是7，即描述符下标为7，对应如图，标识其是个Object类型
最后2byte数据为指向名称及类型描述符的索引项
0024转化到10进制是36，标识调用了Object的初始化方法
当然刚才只是举例展示了MethodRef常量类型的字节码分析，常量类型很多，但思路基本都类似，先通过tag确定其常量类型，后面连续几个字节确定其具体的值含义，类型及字节含义图如下
访问标志
访问标识描述了类、接口的访问类型
JVM定义了如下访问标记
当前类全限定名
父类全限定名
如果有父类，后面会紧接着父类的全限定名，指向常量池中索引
接口信息
描述了该类或父类实现的接口数量。紧接着的n个字节是所有接口名称的字符串常量的索引值。例子里没有实现接口，所以没有。
字段表
记录了当前类所定义的变量的总数量。包括类成员变量和类变量（静态变量）
方法表
描述了方法名、访问标识(ACC_PUBLIC) 等方法级别信息
构造方法如下：执行了各个成员变量的初始化(注意这里不包括静态变量a)
test()方法
Code区是具体执行的JVM指令，即Java代码转换后的JVM指令，像一些字节码增强框架，修改的就是Code区的部分
LineNumber将源码行号和字节码Code区中行号做了映射，比如test()中的code区
其中17代表Java代码中的输出Print，0对应Code区中的行号
stack=2, locals=1, args_size=1 0: getstatic #9 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: ldc #10 // String 1 5: invokevirtual #11 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 8: return LineNumberTable: line 17: 0 line 18: 8
LocalVariableTable:本地变量表，包含This和局部变量
附加属性表
字节码的最后一部分，该项存放了在该文件中类或接口所定义属性的基本信息。
static、final、volatile在字节码中的体现
Static的字节码体现
在上面方法区的解析中，发现了静态变量a并没有在构造函数中进行初始化，那么a在哪里进行初始化呢？
发现代码区多了一段static的初始化代码，其中有a变量的初始化实现,这就是Java中的静态代码块,即静态变量初始化先于成员变量
特点：随着类的加载而执行，而且只执行一次
如果静态方法能调用非静态成员变量的话，那如果别人通过类名调用静态方法时实例对象可能并不存在，导致异常出现
这就解释了，静态方法中为什么不能调用非静态本地成员变量的问题
假设我有一个静态方法呢？加上静态方法看看，代码里加上
public static void staticMethod() { System.out.println("static method"); }
看下字节码中方法区的解析
再看下普通的test方法的字节码解析
差别在哪？静态方法没有本地变量表，不持有JavaTestController的本地this指针
故 静态方法中不能出现this,super等关键字
Final、Volatile的字节码体现
看下Final、Volatile在字节码中的变量定义
那么Volatile又是具体如何让变量的修改直接写回主存的呢？
Final又是如何让基本类型值不能修改的呢？
其实现原理不在Java层面，而在JIT编译生成的机器码层面，这是stack-overflow上的回答
https://stackoverflow.com/questions/16898367/how-to-decompile-volatile-variable-in-java/16898432#16898432?newreg=4366ad45ce3f401a8dfa6b3d21bde635
故字节码中无法看到其实现原理，具体实现原理可以百度查
字节码层面来理解的话，只需明白：final和volatile定义的变量会在字节码中打上ACC_FINAL、ACC_VOLATILE标签，在运行时会进行处理和优化
Synchorinized的字节码体现
编写如下测试代码
分为三个方法
第一个为synchronized修饰普通方法(锁当前调用对象)
第二个为synchronized、static修饰的静态方法(锁类)
第二个为静态代码块(锁synchronized括号中的对象)
public class JavaTestController { public synchronized void test() { System.out.println("1"); } public static synchronized void test1() { System.out.println("1"); } public void test2() { synchronized (new Object()) { System.out.println(1); } } }
看下javap解析出来的方法区代码
synchronized修饰方法
先看test方法，可以看到flags中多了ACC_SYNCHRONIZED修饰符
public synchronized void test(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC, ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=2, locals=1, args_size=1 0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: ldc #3 // String 1 5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 8: return LineNumberTable: line 11: 0 line 12: 8 LocalVariableTable: Start Length Slot Name Signature 0 9 0 this Lcom/company/project/biz/controller/JavaTestController;
再看test1方法，也是多了ACC_SYNCHRONIZED修饰符
public static synchronized void test1(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_SYNCHRONIZED Code: stack=2, locals=0, args_size=0 0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 3: ldc #3 // String 1 5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V 8: return LineNumberTable: line 14: 0 line 15: 8
所以可以看出当synchronized修饰方法时，会在字节码中加上ACC_SYNCHRONIZED修饰符
ACC_SYNCHRONIZED是获取监视器锁的一种隐式实现(没有显示的调用monitorenter，monitorexit指令)
如果字节码方法区中的ACC_SYNCHRONIZED标志被设置，那么线程在执行方法前会先去获取对象的monitor对象，如果获取成功则执行方法代码，执行完毕后释放monitor对象
synchronized同步代码块
看下test2方法的字节码实现
public void test2(); descriptor: ()V flags: ACC_PUBLIC Code: stack=2, locals=3, args_size=1 0: new #5 // class java/lang/Object 3: dup 4: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 7: dup 8: astore_1 9: monitorenter 10: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream; 13: iconst_1 14: invokevirtual #6 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V 17: aload_1 18: monitorexit 19: goto 27 22: astore_2 23: aload_1 24: monitorexit 25: aload_2 26: athrow 27: return
指令第9行：monitorenter表示获取对象监视器锁
指令第18行：monitorexit表示释放对象监视器锁
指令第24行：monitorexit表示释放对象监视器锁
有人可能会疑问，为什么获取了一次监视器锁，却指令中有两次释放监视器锁的指令？
这是因为第二个monitorexit的位置实际是在抛出异常的时候自动调用的(防止程序异常时，监视器锁不会被释放)，athrow指令就是抛出异常的地方
因此当synchronized修饰同步代码块时，会显示调用monitorenter争抢监视器锁，同步代码执行完后调用monitorexit指令释放监视器锁
