JVM（三）类加载与字节码技术
一、类文件结构
首先获得.class字节码文件
方法：
- 在文本文档里写入java代码（文件名与类名一致），将文件类型改为.java
- java终端中，执行javac X:...\XXX.java
以下是字节码文件
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
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
u4 magic
对应字节码文件的0~3个字节
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
1.2 版本
u2 minor_version;
u2 major_version;
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
34H = 52，代表JDK8
1.3 常量池
见资料文件
传送门：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/
二、字节码指令
可参考
传送门：https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5
2.1 javap工具
Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件
javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day01\Main.class
F:\Thread_study>javap -v F:\Thread_study\src\com\nyima\JVM\day5\Demo1.class
Classfile /F:/Thread_study/src/com/nyima/JVM/day5/Demo1.class
Last modified 2022-6-6; size 434 bytes
MD5 checksum df1dce65bf6fb0b4c1de318051f4a67e
Compiled from "Demo1.java"
public class com.nyima.JVM.day5.Demo1
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref #6.#15 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #16.#17 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
#3 = String #18 // hello world
#4 = Methodref #19.#20 // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
#5 = Class #21 // com/nyima/JVM/day5/Demo1
#6 = Class #22 // java/lang/Object
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 main
#12 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V
#13 = Utf8 SourceFile
#14 = Utf8 Demo1.java
#15 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#16 = Class #23 // java/lang/System
#17 = NameAndType #24:#25 // out:Ljava/io/PrintStream;
#18 = Utf8 hello world
#19 = Class #26 // java/io/PrintStream
#20 = NameAndType #27:#28 // println:(Ljava/lang/String;)V
#21 = Utf8 com/nyima/JVM/day5/Demo1
#22 = Utf8 java/lang/Object
#23 = Utf8 java/lang/System
#24 = Utf8 out
#25 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
#26 = Utf8 java/io/PrintStream
#27 = Utf8 println
#28 = Utf8 (Ljava/lang/String;)V
{
public com.nyima.JVM.day5.Demo1();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 7: 0
public static void main(java.lang.String[]);
descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
3: ldc #3 // String hello world
5: invokevirtual #4 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
8: return
LineNumberTable:
line 9: 0
line 10: 8
}
2.2 图解方法执行流程
代码
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);
}
}
常量池载入运行时常量池
常量池也属于方法区，只不过这里单独提出来了
方法字节码载入方法区
（stack=2，locals=4） 对应操作数栈有2个空间（每个空间4个字节），局部变量表中有4个槽位
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
[
](bipush 10)
istore 1
将操作数栈栈顶元素弹出，放入局部变量表的slot 1中
对应代码中的
a = 10
[
](istore 1)
[
](istore 1)
ldc #3
读取运行时常量池中#3，即32768(超过short最大值范围的数会被放到运行时常量池中)，将其加载到操作数栈中
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
[
](ldc #3)
istore 2
将操作数栈中的元素弹出，放到局部变量表的2号位置
[
](istore 2)
[
](istore 2)
iload1 iload2
将局部变量表中1号位置和2号位置的元素放入操作数栈中
- 因为只能在操作数栈中执行运算操作
[
](iload1 iload2)
[
](iload1 iload2)
iadd
将操作数栈中的两个元素弹出栈并相加，结果在压入操作数栈中
istore 3
将操作数栈中的元素弹出，放入局部变量表的3号位置
[
](istore 3)
[
](istore 3)
getstatic #4
在运行时常量池中找到#4，发现是一个对象
在堆内存中找到该对象，并将其引用放入操作数栈中
[
](getstatic #4)
[
](getstatic #4)
iload 3
将局部变量表中3号位置的元素压入操作数栈中
[
](iload 3)
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
[
](iload 3)
执行完毕，弹出栈帧
清除 main 操作数栈内容
return
完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧，程序结束
2.3 通过字节码指令来分析问题
代码
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
int i=0;
int x=0;
while(i<10) {
x = x++;
i++;
}
System.out.println(x); //结果为0
}
}
为什么最终的x结果为0呢？ 通过分析字节码指令即可知晓
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1 //操作数栈分配2个空间，局部变量表分配3个空间
0: iconst_0 //准备一个常数0
1: istore_1 //将常数0放入局部变量表的1号槽位 i=0
2: iconst_0 //准备一个常数0
3: istore_2 //将常数0放入局部变量的2号槽位 x=0
4: iload_1 //将局部变量表1号槽位的数放入操作数栈中
5: bipush 10 //将数字10放入操作数栈中，此时操作数栈中有2个数
7: if_icmpge 21 //比较操作数栈中的两个数，如果下面的数大于上面的数，就跳转到21。这里的比较是将两个数做减法。因为涉及运算操作，所以会将两个数弹出操作数栈来进行运算。运算结束后操作数栈为空
10: iload_2 //将局部变量2号槽位的数放入操作数栈中，放入的值是0
11: iinc 2, 1 //将局部变量2号槽位的数加1，自增后，槽位中的值为1
14: istore_2 //将操作数栈中的数放入到局部变量表的2号槽位，2号槽位的值又变为了0
15: iinc 1, 1 //1号槽位的值自增1
18: goto 4 //跳转到第4条指令
21: getstatic #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
24: iload_2
25: invokevirtual #3 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
28: return
-
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
2.4 构造方法
cinit()V
public class Demo3 {
static int i = 10;
static {
i = 20;
}
static {
i = 30;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(i); //结果为30
}
}
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 cinit()V ：
stack=1, locals=0, args_size=0
0: bipush 10
2: putstatic #3 // Field i:I
5: bipush 20
7: putstatic #3 // Field i:I
10: bipush 30
12: putstatic #3 // Field i:I
15: return
init()V
public class Demo4 {
private String a = "s1";
{
b = 20;
}
private int b = 10;
{
a = "s2";
}
public Demo4(String a, int b) {
this.a = a;
this.b = b;
}
public static void main(String[] args) {
Demo4 d = new Demo4("s3", 30);
System.out.println(d.a);
System.out.println(d.b);
}
}
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后
Code:
stack=2, locals=3, args_size=3
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: ldc #2 // String s1
7: putfield #3 // Field a:Ljava/lang/String;
10: aload_0
11: bipush 20
13: putfield #4 // Field b:I
16: aload_0
17: bipush 10
19: putfield #4 // Field b:I
22: aload_0
23: ldc #5 // String s2
25: putfield #3 // Field a:Ljava/lang/String;
//原始构造方法在最后执行
28: aload_0
29: aload_1
30: putfield #3 // Field a:Ljava/lang/String;
33: aload_0
34: iload_2
35: putfield #4 // Field b:I
38: return
2.5 方法调用
public class Demo5 {
public Demo5() {
}
private void test1() {
}
private final void test2() {
}
public void test3() {
}
public static void test4() {
}
public static void main(String[] args) {
Demo5 demo5 = new Demo5();
demo5.test1();
demo5.test2();
demo5.test3();
Demo5.test4();
}
}
不同方法在调用时，对应的虚拟机指令有所区别
- 私有、构造、被final修饰的方法，在调用时都使用invokespecial指令
- 普通成员方法在调用时，使用invokevirtual 指令。因为编译期间无法确定该方法的内容，只有在运行期间才能确定
- 静态方法在调用时使用invokestatic指令
Code:
stack=2, locals=2, args_size=1
0: new #2 // class com/nyima/JVM/day5/Demo5
3: dup
4: invokespecial #3 // Method "<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: invokespecial #4 // Method test1:()V
12: aload_1
13: invokespecial #5 // Method test2:()V
16: aload_1
17: invokevirtual #6 // Method test3:()V
20: invokestatic #7 // Method test4:()V
23: return
- 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 “init”😦)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
- 终方法（final），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】
2.6 多态原理
因为普通成员方法需要在运行时才能确定具体的内容，所以虚拟机需要调用invokevirtual指令
在执行invokevirtual指令时，经历了以下几个步骤
- 先通过栈帧中对象的引用找到对象
- 分析对象头，找到对象实际的Class
- Class结构中有vtable
- 查询vtable找到方法的具体地址
- 执行方法的字节码
2.7 异常处理
try-catch
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
try {
i = 10;
}catch (Exception e) {
i = 20;
}
}
}
对应字节码指令
Code:
stack=1, locals=3, args_size=1
0: iconst_0
1: istore_1
2: bipush 10
4: istore_1
5: goto 12
8: astore_2
9: bipush 20
11: istore_1
12: return
//多出来一个异常表
Exception table:
from to target type
2 5 8 Class java/lang/Exception
- 可以看到多出来一个 Exception table 的结构，[from, to) 是前闭后开（也就是检测2~4行）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2号位置（为e）
多个single-catch
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
try {
i = 10;
}catch (ArithmeticException e) {
i = 20;
}catch (Exception e) {
i = 30;
}
}
}
对应的字节码
Code:
stack=1, locals=3, args_size=1
0: iconst_0
1: istore_1
2: bipush 10
4: istore_1
5: goto 19
8: astore_2
9: bipush 20
11: istore_1
12: goto 19
15: astore_2
16: bipush 30
18: istore_1
19: return
Exception table:
from to target type
2 5 8 Class java/lang/ArithmeticException
2 5 15 Class java/lang/Exception
- 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
finally
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
int i = 0;
try {
i = 10;
} catch (Exception e) {
i = 20;
} finally {
i = 30;
}
}
}
对应字节码
Code:
stack=1, locals=4, args_size=1
0: iconst_0
1: istore_1
//try块
2: bipush 10
4: istore_1
//try块执行完后，会执行finally
5: bipush 30
7: istore_1
8: goto 27
//catch块
11: astore_2 //异常信息放入局部变量表的2号槽位
12: bipush 20
14: istore_1
//catch块执行完后，会执行finally
15: bipush 30
17: istore_1
18: goto 27
//出现异常，但未被Exception捕获，会抛出其他异常，这时也需要执行finally块中的代码
21: astore_3
22: bipush 30
24: istore_1
25: aload_3
26: athrow //抛出异常
27: return
Exception table:
from to target type
2 5 11 Class java/lang/Exception
2 5 21 any
11 15 21 any
可以看到 finally 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
注意：虽然从字节码指令看来，每个块中都有finally块，但是finally块中的代码只会被执行一次
finally中的return
public class Demo3 {
public static void main(String[] args) {
int i = Demo3.test();
//结果为20
System.out.println(i);
}
public static int test() {
int i;
try {
i = 10;
return i;
} finally {
i = 20;
return i;
}
}
}
对应字节码
Code:
stack=1, locals=3, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0
3: iload_0
4: istore_1 //暂存返回值
5: bipush 20
7: istore_0
8: iload_0
9: ireturn //ireturn会返回操作数栈顶的整型值20
//如果出现异常，还是会执行finally块中的内容，没有抛出异常
10: astore_2
11: bipush 20
13: istore_0
14: iload_0
15: ireturn //这里没有athrow了，也就是如果在finally块中如果有返回操作的话，且try块中出现异常，会吞掉异常！
Exception table:
from to target type
0 5 10 any
- 由于 finally 中的 ireturn 被插入了所有可能的流程，因此返回结果肯定以finally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 finally 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
- 所以不要在finally中进行返回操作
被吞掉的异常
public class Demo3 {
public static void main(String[] args) {
int i = Demo3.test();
//最终结果为20
System.out.println(i);
}
public static int test() {
int i;
try {
i = 10;
//这里应该会抛出异常
i = i/0;
return i;
} finally {
i = 20;
return i;
}
}
}
会发现打印结果为20，并未抛出异常
finally不带return
public class Demo4 {
public static void main(String[] args) {
int i = Demo4.test();
System.out.println(i);
}
public static int test() {
int i = 10;
try {
return i;
} finally {
i = 20;
}
}
}
对应字节码
Code:
stack=1, locals=3, args_size=0
0: bipush 10
2: istore_0 //赋值给i 10
3: iload_0 //加载到操作数栈顶
4: istore_1 //加载到局部变量表的1号位置
5: bipush 20
7: istore_0 //赋值给i 20
8: iload_1 //加载局部变量表1号位置的数10到操作数栈
9: ireturn //返回操作数栈顶元素 10
10: astore_2
11: bipush 20
13: istore_0
14: aload_2 //加载异常
15: athrow //抛出异常
Exception table:
from to target type
3 5 10 any
Synchronized
public class Demo5 {
public static void main(String[] args) {
int i = 10;
Lock lock = new Lock();
synchronized (lock) {
System.out.println(i);
}
}
}
class Lock{}
对应字节码
Code:
stack=2, locals=5, args_size=1
0: bipush 10
2: istore_1
3: new #2 // class com/nyima/JVM/day06/Lock
6: dup //复制一份，放到操作数栈顶，用于构造函数消耗
7: invokespecial #3 // Method com/nyima/JVM/day06/Lock."<init>":()V
10: astore_2 //剩下的一份放到局部变量表的2号位置
11: aload_2 //加载到操作数栈
12: dup //复制一份，放到操作数栈，用于加锁时消耗
13: astore_3 //将操作数栈顶元素弹出，暂存到局部变量表的三号槽位。这时操作数栈中有一份对象的引用
14: monitorenter //加锁
//锁住后代码块中的操作
15: getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
18: iload_1
19: invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
//加载局部变量表中三号槽位对象的引用，用于解锁
22: aload_3
23: monitorexit //解锁
24: goto 34
//异常操作
27: astore 4
29: aload_3
30: monitorexit //解锁
31: aload 4
33: athrow
34: return
//可以看出，无论何时出现异常，都会跳转到27行，将异常放入局部变量中，并进行解锁操作，然后加载异常并抛出异常。
Exception table:
from to target type
15 24 27 any
27 31 27 any
三、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
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 默认构造函数
public class Candy1 {
}
经过编译期优化后
public class Candy1 {
//这个无参构造器是java编译器帮我们加上的
public Candy1() {
//即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object." <init>":()V
super();
}
}
3.2 自动拆装箱
基本类型和其包装类型的相互转换过程，称为拆装箱
在JDK 5以后，它们的转换可以在编译期自动完成
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
Integer x = 1;
int y = x;
}
}
转换过程如下
public class Demo2 {
public static void main(String[] args) {
//基本类型赋值给包装类型，称为装箱
Integer x = Integer.valueOf(1);
//包装类型赋值给基本类型，称谓拆箱
int y = x.intValue();
}
}
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 Demo3 {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = new ArrayList<>();
list.add(10);
Integer x = list.get(0);
}
}
对应字节码
Code:
stack=2, locals=3, args_size=1
0: new #2 // class java/util/ArrayList
3: dup
4: invokespecial #3 // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
7: astore_1
8: aload_1
9: bipush 10
11: invokestatic #4 // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
//这里进行了泛型擦除，实际调用的是add(Objcet o)
14: invokeinterface #5, 2 // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
19: pop
20: aload_1
21: iconst_0
//这里也进行了泛型擦除，实际调用的是get(Object o)
22: invokeinterface #6, 2 // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
//这里进行了类型转换，将Object转换成了Integer
27: checkcast #7 // class java/lang/Integer
30: astore_2
31: return
所以调用get函数取值时，有一个类型转换的操作
Integer x = (Integer) list.get(0);
如果要将返回结果赋值给一个int类型的变量，则还有自动拆箱的操作
int x = (Integer) list.get(0).intValue();
3.4 可变参数
public class Demo4 {
public static void foo(String... args) {
//将args赋值给arr，可以看出String...实际就是String[]
String[] arr = args;
System.out.println(arr.length);
}
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 Demo4 {
public Demo4 {}
public static void foo(String[] args) {
String[] arr = args;
System.out.println(arr.length);
}
public static void main(String[] args) {
foo(new String[]{"hello", "world"});
}
}
注意，如果调用的是foo()，即未传递参数时，等价代码为foo(new String[]{})，创建了一个空数组，而不是直接传递的null
3.5 foreach
public class Demo5 {
public static void main(String[] args) {
//数组赋初值的简化写法也是一种语法糖。
int[] arr = {1, 2, 3, 4, 5};
for(int x : arr) {
System.out.println(x);
}
}
}
编译器会帮我们转换为
public class Demo5 {
public Demo5 {}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
for(int i=0; i<arr.length; ++i) {
int x = arr[i];
System.out.println(x);
}
}
}
如果是集合使用foreach
public class Demo5 {
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
for (Integer x : list) {
System.out.println(x);
}
}
}
集合要使用foreach，需要该集合类实现了Iterable接口，因为集合的遍历需要用到迭代器Iterator
public class Demo5 {
public Demo5 {}
public static void main(String[] args) {
List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
//获得该集合的迭代器
Iterator<Integer> iterator = list.iterator();
while(iterator.hasNext()) {
Integer x = iterator.next();
System.out.println(x);
}
}
}
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 Demo6 {
public static void main(String[] args) {
String str = "hello";
switch (str) {
case "hello" :
System.out.println("h");
break;
case "world" :
System.out.println("w");
break;
default:
break;
}
}
}
在编译器中执行的操作
public class Demo6 {
public Demo6() {
}
public static void main(String[] args) {
String str = "hello";
int x = -1;
//通过字符串的hashCode+value来判断是否匹配
switch (str.hashCode()) {
//hello的hashCode
case 99162322 :
//再次比较，因为字符串的hashCode有可能相等
if(str.equals("hello")) {
x = 0;
}
break;
//world的hashCode
case 11331880 :
if(str.equals("world")) {
x = 1;
}
break;
default:
break;
}
//用第二个switch在进行输出判断
switch (x) {
case 0:
System.out.println("h");
break;
case 1:
System.out.println("w");
break;
default:
break;
}
}
}
过程说明：
- 在编译期间，单个的switch被分为了两个
- 第一个用来匹配字符串，并给x赋值
- 字符串的匹配用到了字符串的hashCode，还用到了equals方法
- 使用hashCode是为了提高比较效率，使用equals是防止有hashCode冲突（如BM和C.）
- 第二个用来根据x的值来决定输出语句
- 第一个用来匹配字符串，并给x赋值
3.7 switch枚举
public class Demo7 {
public static void main(String[] args) {
SEX sex = SEX.MALE;
switch (sex) {
case MALE:
System.out.println("man");
break;
case FEMALE:
System.out.println("woman");
break;
default:
break;
}
}
}
enum SEX {
MALE, FEMALE;
}
编译器中执行的代码如下
public class Demo7 {
/**
* 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，里面存放了case用于比较的数字
static int[] map = new int[2];
static {
//ordinal即枚举元素对应所在的位置，MALE为0，FEMALE为1
map[SEX.MALE.ordinal()] = 1;
map[SEX.FEMALE.ordinal()] = 2;
}
}
public static void main(String[] args) {
SEX sex = SEX.MALE;
//将对应位置枚举元素的值赋给x，用于case操作
int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
switch (x) {
case 1:
System.out.println("man");
break;
case 2:
System.out.println("woman");
break;
default:
break;
}
}
}
enum SEX {
MALE, FEMALE;
}
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;
}
转换后的代码
public final class Sex extends Enum<Sex> {
//对应枚举类中的元素
public static final Sex MALE;
public static final Sex FEMALE;
private static final Sex[] $VALUES;
static {
//调用构造函数，传入枚举元素的值及ordinal
MALE = new Sex("MALE", 0);
FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
$VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
}
//调用父类中的方法
private Sex(String name, int ordinal) {
super(name, ordinal);
}
public static Sex[] values() {
return $VALUES.clone();
}
public static Sex valueOf(String name) {
return Enum.valueOf(Sex.class, name);
}
}
3.9 匿名内部类
public class Demo8 {
public static void main(String[] args) {
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("running...");
}
};
}
}
转换后的代码
public class Demo8 {
public static void main(String[] args) {
//用额外创建的类来创建匿名内部类对象
Runnable runnable = new Demo8$1();
}
}
//创建了一个额外的类，实现了Runnable接口
final class Demo8$1 implements Runnable {
public Demo8$1() {}
@Override
public void run() {
System.out.println("running...");
}
}
如果匿名内部类中引用了局部变量
public class Demo8 {
public static void main(String[] args) {
int x = 1;
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(x);
}
};
}
}
转化后代码
public class Demo8 {
public static void main(String[] args) {
int x = 1;
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(x);
}
};
}
}
final class Demo8$1 implements Runnable {
//多创建了一个变量
int val$x;
//变为了有参构造器
public Demo8$1(int x) {
this.val$x = x;
}
@Override
public void run() {
System.out.println(val$x);
}
}
四、类加载阶段
4.1 加载
-
将类的字节码载入
方法区
（1.8后为元空间，在本地内存中）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，它的镜像类就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用
- _super 即父类
- _fields 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
-
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
- instanceKlass保存在方法区。JDK 8以后，方法区位于元空间中，而元空间又位于本地内存中
- _java_mirror则是保存在堆内存中
- InstanceKlass和*.class(JAVA镜像类)互相保存了对方的地址
- 类的对象在对象头中保存了*.class的地址。让对象可以通过其找到方法区中的instanceKlass，从而获取类的各种信息
4.2 链接
验证
验证类是否符合 JVM规范，安全性检查
准备
为 static 变量分配空间，设置默认值
- static变量在JDK 7以前是存储与instanceKlass末尾。但在JDK 7以后就存储在_java_mirror末尾了
- static变量在分配空间和赋值是在两个阶段完成的。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
HSDB的使用
- 先获得要查看的进程ID
jps
- 打开HSDB
java -cp F:\JAVA\JDK8.0\lib\sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
- 运行时可能会报错，是因为缺少一个.dll的文件，我们在JDK的安装目录中找到该文件，复制到缺失的文件下即可
- 定位需要的进程
解析的含义
将常量池中的符号引用解析为直接引用
- 未解析时，常量池中的看到的对象仅是符号，未真正的存在于内存中
public class Demo1 {
public static void main(String[] args) throws IOException, ClassNotFoundException {
ClassLoader loader = Demo1.class.getClassLoader();
//只加载不解析
Class<?> c = loader.loadClass("com.nyima.JVM.day8.C");
//用于阻塞主线程
System.in.read();
}
}
class C {
D d = new D();
}
class D {
}
- 打开HSDB
- 可以看到此时只加载了类C
查看类C的常量池，可以看到类D未被解析，只是存在于常量池中的符号
-
解析以后，会将常量池中的符号引用解析为直接引用
- 可以看到，此时已加载并解析了类C和类D
4.3 初始化
初始化阶段就是执行类构造器clinit()方法的过程，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全
- clinit()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的
注意
编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问，如
发生时机
类的初始化的懒惰的，以下情况会初始化
- 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
以下情况不会初始化
- 访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）
- 类对象.class 不会触发初始化
- 创建该类对象的数组
- 类加载器的.loadClass方法
- Class.forNamed的参数2为false时
验证类是否被初始化，可以看改类的静态代码块是否被执行
五、类加载器
Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。实现这个动作的代码被称为“类加载器”（ClassLoader）
5.1 类与类加载器
类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java程序中起到的作用却远超类加载阶段
对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等
以JDK 8为例
| 名称 | 加载的类 | 说明 |
|---|---|---|
| Bootstrap ClassLoader（启动类加载器） | JAVA_HOME/jre/lib | 无法直接访问 |
| Extension ClassLoader(拓展类加载器) | JAVA_HOME/jre/lib/ext | 上级为Bootstrap，显示为null |
| Application ClassLoader(应用程序类加载器) | classpath | 上级为Extension |
| 自定义类加载器 | 自定义 | 上级为Application |
5.2 启动类加载器
可通过在控制台输入指令，使得类被启动类加器加载
5.3 拓展类加载器
如果classpath和JAVA_HOME/jre/lib/ext 下有同名类，加载时会使用拓展类加载器加载。当应用程序类加载器发现拓展类加载器已将该同名类加载过了，则不会再次加载
5.4 双亲委派模式
双亲委派模式，即调用类加载器ClassLoader 的 loadClass 方法时，查找类的规则
loadClass源码
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// 首先查找该类是否已经被该类加载器加载过了
Class<?> c = findLoadedClass(name);
//如果没有被加载过
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
//看是否被它的上级加载器加载过了 Extension的上级是Bootstarp，但它显示为null
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//看是否被启动类加载器加载过
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
//捕获异常，但不做任何处理
}
if (c == null) {
//如果还是没有找到，先让拓展类加载器调用findClass方法去找到该类，如果还是没找到，就抛出异常
//然后让应用类加载器去找classpath下找该类
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// 记录时间
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
5.5 自定义类加载器
使用场景
- 想加载非 classpath 随意路径中的类文件
- 通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
- 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
- 继承ClassLoader父类
- 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法
- 不是重写loadClass方法，否则不会走双亲委派机制
- 读取类文件的字节码
- 调用父类的 defineClass 方法来加载类
- 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法
5.6 破坏双亲委派模式
- 双亲委派模型的第一次“被破坏”其实发生在双亲委派模型出现之前——即JDK1.2面世以前的“远古”时代
- 建议用户重写findClass()方法，在类加载器中的loadClass()方法中也会调用该方法
- 双亲委派模型的第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的
- 如果有基础类型又要调用回用户的代码，此时也会破坏双亲委派模式
- 双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序动态性的追求而导致的
- 这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等
六、运行期优化
6.1 即时编译
分层编译
JVM 将执行状态分成了 5 个层次：
- 0层：解释执行，用解释器将字节码翻译为机器码
- 1层：使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profiling）
- 2层：使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的profiling）
- 3层：使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的profiling）
- 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
- 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
- 是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
- 即时编译器
- 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
- 根据平台类型，生成平台特定的机器码
对于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），并优化这些热点代码
逃逸分析
逃逸分析（Escape Analysis）简单来讲就是，Java Hotspot 虚拟机可以分析新创建对象的使用范围，并决定是否在 Java 堆上分配内存的一项技术
逃逸分析的 JVM 参数如下：
- 开启逃逸分析：-XX:+DoEscapeAnalysis
- 关闭逃逸分析：-XX:-DoEscapeAnalysis
- 显示分析结果：-XX:+PrintEscapeAnalysis
逃逸分析技术在 Java SE 6u23+ 开始支持，并默认设置为启用状态，可以不用额外加这个参数
对象逃逸状态
全局逃逸（GlobalEscape）
- 即一个对象的作用范围逃出了当前方法或者当前线程，有以下几种场景：
- 对象是一个静态变量
- 对象是一个已经发生逃逸的对象
- 对象作为当前方法的返回值
参数逃逸（ArgEscape）
- 即一个对象被作为方法参数传递或者被参数引用，但在调用过程中不会发生全局逃逸，这个状态是通过被调方法的字节码确定的
没有逃逸
- 即方法中的对象没有发生逃逸
逃逸分析优化
针对上面第三点，当一个对象没有逃逸时，可以得到以下几个虚拟机的优化
锁消除
我们知道线程同步锁是非常牺牲性能的，当编译器确定当前对象只有当前线程使用，那么就会移除该对象的同步锁
例如，StringBuffer 和 Vector 都是用 synchronized 修饰线程安全的，但大部分情况下，它们都只是在当前线程中用到，这样编译器就会优化移除掉这些锁操作
锁消除的 JVM 参数如下：
- 开启锁消除：-XX:+EliminateLocks
- 关闭锁消除：-XX:-EliminateLocks
锁消除在 JDK8 中都是默认开启的，并且锁消除都要建立在逃逸分析的基础上
标量替换
首先要明白标量和聚合量，基础类型和对象的引用可以理解为标量，它们不能被进一步分解。而能被进一步分解的量就是聚合量，比如：对象
对象是聚合量，它又可以被进一步分解成标量，将其成员变量分解为分散的变量，这就叫做标量替换。
这样，如果一个对象没有发生逃逸，那压根就不用创建它，只会在栈或者寄存器上创建它用到的成员标量，节省了内存空间，也提升了应用程序性能
标量替换的 JVM 参数如下：
- 开启标量替换：-XX:+EliminateAllocations
- 关闭标量替换：-XX:-EliminateAllocations
- 显示标量替换详情：-XX:+PrintEliminateAllocations
标量替换同样在 JDK8 中都是默认开启的，并且都要建立在逃逸分析的基础上
栈上分配
当对象没有发生逃逸时，该对象就可以通过标量替换分解成成员标量分配在栈内存中，和方法的生命周期一致，随着栈帧出栈时销毁，减少了 GC 压力，提高了应用程序性能
方法内联
内联函数
内联函数就是在程序编译时，编译器将程序中出现的内联函数的调用表达式用内联函数的函数体来直接进行替换
JVM内联函数
C++是否为内联函数由自己决定，Java由编译器决定。Java不支持直接声明为内联函数的，如果想让他内联，你只能够向编译器提出请求: 关键字final修饰 用来指明那个函数是希望被JVM内联的，如
public final void doSomething() {
// to do something
}
总的来说，一般的函数都不会被当做内联函数，只有声明了final后，编译器才会考虑是不是要把你的函数变成内联函数
JVM内建有许多运行时优化。首先短方法更利于JVM推断。流程更明显，作用域更短，副作用也更明显。如果是长方法JVM可能直接就跪了。
第二个原因则更重要：方法内联
如果JVM监测到一些小方法被频繁的执行，它会把方法的调用替换成方法体本身，如：
private int add4(int x1, int x2, int x3, int x4) {
//这里调用了add2方法
return add2(x1, x2) + add2(x3, x4);
}
private int add2(int x1, int x2) {
return x1 + x2;
}
方法调用被替换后
private int add4(int x1, int x2, int x3, int x4) {
//被替换为了方法本身
return x1 + x2 + x3 + x4;
}
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 {
Method foo = Demo3.class.getMethod("foo");
for(int i = 0; i<=16; i++) {
foo.invoke(null);
}
}
}
foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现
invoke方法源码
@CallerSensitive
public Object invoke(Object obj, Object... args)
throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
InvocationTargetException
{
if (!override) {
if (!Reflection.quickCheckMemberAccess(clazz, modifiers)) {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
checkAccess(caller, clazz, obj, modifiers);
}
}
//MethodAccessor是一个接口，有3个实现类，其中有一个是抽象类
MethodAccessor ma = methodAccessor; // read volatile
if (ma == null) {
ma = acquireMethodAccessor();
}
return ma.invoke(obj, args);
}
会由DelegatingMehodAccessorImpl去调用NativeMethodAccessorImpl
NativeMethodAccessorImpl源码
class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
private final Method method;
private DelegatingMethodAccessorImpl parent;
private int numInvocations;
NativeMethodAccessorImpl(Method var1) {
this.method = var1;
}
//每次进行反射调用，会让numInvocation与ReflectionFactory.inflationThreshold的值（15）进行比较，并使使得numInvocation的值加一
//如果numInvocation>ReflectionFactory.inflationThreshold，则会调用本地方法invoke0方法
public Object invoke(Object var1, Object[] var2) throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold() && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass())) {
MethodAccessorImpl var3 = (MethodAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateMethod(this.method.getDeclaringClass(), this.method.getName(), this.method.getParameterTypes(), this.method.getReturnType(), this.method.getExceptionTypes(), this.method.getModifiers());
this.parent.setDelegate(var3);
}
return invoke0(this.method, var1, var2);
}
void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl var1) {
this.parent = var1;
}
private static native Object invoke0(Method var0, Object var1, Object[] var2);
}
//ReflectionFactory.inflationThreshold()方法的返回值
private static int inflationThreshold = 15;
- 一开始if条件不满足，就会调用本地方法invoke0
- 随着numInvocation的增大，当它大于ReflectionFactory.inflationThreshold的值16时，就会本地方法访问器替换为一个运行时动态生成的访问器，来提高效率
- 这时会从反射调用变为正常调用，即直接调用 Reflect1.foo()
