一个java程序是怎样运行起来的(3)

接上一篇 一个java程序是怎样运行起来的(2)，在jvm创建好后，就可以开始执行程序了。我们知道，程序执行的入口在main函数，所以我们首先得找到main函数，这得有个前提，main函数对应的类已经被jvm加载了，所以jvm做的第一件事就是去加载类。先来看下java类加载的机制，主要有以下几个阶段：

1，加载：

加载阶段可以参考java.lang.ClassLoader中loadClass方法，采用的是双亲委托进制进行加载，这个阶段首先找到对应的class文件，以二级制方式读入内存,按照jvm规范解析出所表达的数据结构，在内存中生成一个代表该类的java.lang.Class对象.

2，验证：

验证是确保当前class文件格式符合jvm规范，不会对jvm产生危害。验证工作并不是在加载之后才开始的，比如从class文件读入到内存后，解析其代表的数据结构时，我们首先会去校验魔数是否正确，以及版本号是否符合要求等

3，准备

准备阶段主要是为类的静态变量分配内存，设定初始值等工作

4，解析

常量池中的符号引用替换为直接引用，比如String str = "test",str指向常量池中"test"的地址

5，初始化

这个过程主要是执行类构造器的方法，静态类的赋值，静态代码块的执行。如果初始化一个类时，发现父类还没有初始化，则需要先初始化父类

根据一个java程序是怎样运行起来的(1)，类加载完成后，就可以找到main方法了，这时就可以开始执行main方法中的jvm指令了，下面以一个例子来解释其执行过程。

测试代码如下：

public class TestAdd{
	public static void main(String[] args){
		int a = 1;
		int b = 2;
		int c = a+b;
		print(c);
	}
	
	public static void print(int c){
		System.out.println(c);
	}
}

javac编译后，利用命令javap -c TestAdd,我们来看下在运行时究竟执行了哪些jvm指令

public class TestAdd {
  public TestAdd();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."":()V
       4: return


  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: istore_3
       8: iload_3
       9: invokestatic  #2                  // Method print:(I)V
      12: return


  public static void print(int);
    Code:
       0: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: iload_0
       4: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
       7: return
}

构造函数先不看，直接看main方法。函数的执行是在栈帧中执行的,执行的时候由程序计数器记录当前执行到哪个位置。栈帧存放在stack中，只有stack顶的栈帧当前有效，里面存放了本地变量表，操作数栈，返回地址等，本地变量表的大小，以及从操作数栈的深度在编译时就已经确定，运行时不会改变，如下图：

他们之间的调用关系是栈帧1的函数调用了栈帧2中的函数，栈帧2中国的函数调用了栈帧3中的函数。有了这个基础，接下来看下上面的指令是如何执行的，入口在main方法,此时分配新的栈帧我把它标记为栈帧1，栈帧1处在stack顶，即为当前栈帧，执行main方法中jvm指令之前，栈帧1中的有关数据结构如下,本地变量表index为0变量存放的是函数的参数args:

执行指令iconst_1,将int类型数字1push到操作数栈，此时栈帧1的数据结构为:

执行指令istore_1，将栈帧1中操作数栈执行退栈操作，所得的值放入到本地变量表第1个变量中,此时栈帧1的数据结构:

iconst_2,istore_2与上面同理，执行后栈帧：

iload_1和iload_2分别把本地变量表中第一个和第二个变量的值压入到操作数栈，

iadd指令，连续两次操作数栈执行退栈操作，将所得的值相加得到结果3再次压入操作数栈

istore_3,将操作数栈栈顶元素退栈，所得的值存入第3个本地变量中

iload_3,将本地变量表中第三个变量的值压入操作数栈中

invokestaic 调用静态方法，此处存在方法调用，需要新开辟一个栈帧压入stack,并把变量值3入本地变量表，其返回地址为main方法中即将执行的指令return的地址,这个暂按照指令集的排列，标记为frame1_12吧，此时当前栈帧为栈帧2，运行时数据结构为:

接下来看下print方法的执行，

getstatic获取指定的field,

iload_0,将变量0的值3压入操作数栈,此时数据结构为:

invokevirtual执行打印方法，会新开辟一个栈帧栈帧3，将变量值3入栈帧3的本地变量表，其返回地址为frame2_7,执行return后，当前栈帧栈帧3退栈，栈帧2变成当前栈帧，发现当前执行的指令为return执行退栈操作,当前栈帧为栈帧1，此时栈帧1要执行的指令为return，退栈，至程序结束退出。

至此，把java程序的执行过程简单过了一遍，过程非常粗糙，我目前对jvm的了解有限，后续有更好更深入的理解后，再回过头来丰富下。

上面方法调用时的栈帧等数据结构可以参见本人编写的jvm尝试: https://github.com/reverence/czvm