JVM（三）类加载与字节码技术

 

1、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
• 在文件对应目录下运行cmd，执行javac 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

咖啡baby

 

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

 

 了解一下看书更好

 

1.4访问标识与继承信息

1.5 Field信息

1.6 Method信息

1.7附加属性

 

2、字节码指令

2.1入门

这部分面试不问，了解一下

2.2 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 2020-6-6; 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."":()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               
   #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          // "":()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."":()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
}

 

2.3图解方法执行流程

1）原始代码

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);   
    } 
}

 

2）编译后的字节码文件

3）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

数字在常量范围外的则存在运行时常量池中

4）方法字节码载入方法区

 

5）main线程开始运行，分配栈帧内存

绿色是局部变量表

蓝色的是操作数栈

（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

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

 

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

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

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

 

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

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

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

iload 3

将局部变量表中3号位置的元素压入操作数栈中

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

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

 

2.4 练习-分析 i++

通过字节码指令来分析问题

a=11 ,b=34

 

2.5条件判断指令

 

 

2.6循环控制指令

2.7练习

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); //接过为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

操作数栈为0赋值给自增后的局部变量1，使得局部变量为0

 

2.8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 

()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

i=30

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

2.9方法调用

 

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

• 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（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】
• 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

运行 HSDB 工具 

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

1. 先通过栈帧中对象的引用找到对象
2. 分析对象头，找到对象实际的Class
3. Class结构中有vtable虚方法表
4. 查询vtable找到方法的具体地址
5. 执行方法的字节码 

 

2.11异常处理

try-catch

public class 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;
		}
	}
}

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

multi-catch 的情况

finally

 

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

 

2.12面试题

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;
		}
	}
}

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

会发现打印结果为20，并未抛出异常

finally 对返回值影响 

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

 

2.13 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{}

加锁解锁

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."":()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

 

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）

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 {

}

经过编译期优化，编译成class后的代码：

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." ":()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，称谓拆装箱

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 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)
   }
}

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."":()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

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

使用反射，仍然能够获得这些信息

 

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循环

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

如果是集合使用foreach

public class Demo5 {
   public static void main(String[] args) {
      List 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 list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
      //获得该集合的迭代器
      Iterator iterator = list.iterator();
      while(iterator.hasNext()) {
         Integer x = iterator.next();
         System.out.println(x);
      }
   }
}

 

3.6switch 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;
      }
   }
}

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 

 

3.7switch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;
}

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

enum SEX {
   MALE, FEMALE;
}

转换后的代码

public final class Sex extends Enum {   
   //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);  
    } 
   
}

 

3.9try-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

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 fianlly 中如果抛出了异常）：

 

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）

对于子类，java 编译器会做如下处理：

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：

 

3.11 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);
   }
}

 

4、类加载阶段

4.1加载

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

 

加载是类加载的一个阶段，注意不要混淆。

加载过程完成以下三件事：

• 通过类的完全限定名称获取定义该类的二进制字节流。
• 将该字节流表示的静态存储结构转换为方法区的运行时存储结构。
• 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为方法区中该类各种数据的访问入口。

其中二进制字节流可以从以下方式中获取：

• 从 ZIP 包读取，成为 JAR、EAR、WAR 格式的基础。
• 从网络中获取，最典型的应用是 Applet。
• 运行时计算生成，例如动态代理技术，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理类的二进制字节流。
• 由其他文件生成，例如由 JSP 文件生成对应的 Class 类。

 

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

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();
      //loadClass 方法不会导致类的解析和初始化 
      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 {

}

 

4.3初始化

初始化即调用 cinit()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

 

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）类的准备阶段就完成了
• 类对象.class 不会触发初始化 类加载
• 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，可以看该类的静态代码块是否被执行

懒汉式

 

5、类加载器

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

双亲委派的类加载模式

 

5.1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

 

5.2扩展类加载器

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。（双亲委派）

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

 

5.3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

protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1、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) {
                     //2. 有上级的话，委派上级 loadClass 
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派 BootstrapClassLoader 
                    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) {
                //4.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;
    }
}

每一个类都有一个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同工作的时候会默认使用 双亲委派模型 。即在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。

加载的时候，首先会把该请求委派该父类加载器的 loadClass() 处理，因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。

当父类加载器无法处理时，才由自己来处理。当父类加载器为null时，会使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为父类加载器。

 

5.4线程上下文类加载器

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，但 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？ 

 

先看 2）发现它后是使用 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

 

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：

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：
 

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

 

6、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（JIT）
  • 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

 

方法内联

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

 

字段优化

 

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;Copy

• 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()