深入理解JVM——读书笔记(虚拟机字节码执行引擎)

类文件结构

Class文件的结构

• class文件是以一组8个字节为基础单位的二进制流，中间没有添加任何分隔符，从数据结构上看，class文件是一个类C++结构体的数据结构。

• class文件只有两种数据类型：无符号整数，表。表可以嵌套表与无符号整数，无符号整数由u1,u2,u4,u8来表示。*_info表示表类数据类型。

• 整个Class文件可以被视作下表，按照下表进行严格排列

  

• magic

  • 魔数，用来标识文件类型。类似于扩展名。Class文件的魔数是0xCAFEBABE

• minor_version

  • 次版本号，一般为0,预留给大版本之间的“功能预览”小版本

• major_version

  • 主版本号，从45开始，从JDK1.1之后每个Java大版本,主版本号+1。JDK1.1用的是45.0~45.3
  • Java虚拟机只能运行比它版本号低的Class文件，JDK8的主版本号是52

• constant_pool

  • 容量（大小）为constant_pool_count-1

  • 常量池存放两大类常量：字面量、符号引用

    • 字面量：文本字符串、被声明为final的常量值等
    • 符号引用
      • 被模块导出或者开放的包（Package）
      • 类和接口的全限定名
      • 字段的名称和描述符(描述符是特定规则的字符串，用来描述数据类型、参数列表、返回值)
      • 方法的名称和描述符
      • 方法句柄和方法类型
      • 动态调用点和动态常量
    • 常量池中的每一个常量都是一个表，现在共有17种不同结构的常量类型。但是它们的起始字段都是u1的标志位，代表属于哪种常量（类似Class文件开头的魔数)
      

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• access_flags

  • 访问标志，识别类或者接口层次的信息

    

• this_class、super_class、interfaces

  • 类索引、父索引、接口索引集合

• fields

  • 类级别变量和实例级别变量（就是类属性和对象属性），但是不包括局部变量
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  • fields修饰了变量的类型、并发可见性、作用域、可否被序列化、字段名称等

• methods

  • 与fields类似，这里只特别指出方法体里面的代码被存储在自带属性表的code属性中

• attributes

  • Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表集合，以描述某些场景专有的信息

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  • Code属性

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    • Java程序方法体里面的代码经过Javac编译器处理之后，最终变为字节码指令存储在Code属性
    • code_length的实际上限不超过2个字节长，所以太长的jsp可能会编译失败
    • Javac把对this关键字的访问转变成一个普通方法参数的访问

  • ConstantValue属性

    • 通知虚拟机自动为静态变量赋值

字节码指令

• 操作码长度为一个字节，所以最多不超过256条操作指令

• 大部分的指令都包含数据类型，比如：iconst,lconst,fconst,但是由于操作指令容量有限，所以很显然

  一些指令对应了多种数据类型，比如byte,short就会被自动符号扩展为int，boolean和char零位扩展为int

• 具体的指令集在这里省略，具体可以参见《Java虚拟机规范》

公有实现与私有化

• 将输入的Java虚拟机代码在加载时或执行时翻译成另一种虚拟机的指令集
• 将输入的Java虚拟机代码在加载时或执行时翻译成宿主机处理程序的本地指令集（即时编译器代码生成技术）

虚拟机类加载机制

• 类加载

  • 描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程被称作虚拟机的类加载机制

• 类的生命周期

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  • 加载

    • 通过全限定类名来获得二进制字节流
    • 将字节流转化为方法区的运行时数据结构
    • 在内存中生成一个代表这个类的Java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

  • 验证

    • 确保Class文件的字节流包含的信息符合《Java虚拟机规范》，进行字节码级别的校验

  • 准备

    • 为类中定义的变量（静态变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。

  • 解析

    • 将常量池内的符号引用替换成直接引用的过程（也就是把类外的引用，从符号级别变到地址级别）
      • 这一步可以理解成C++的“链接"

  • 初始化

    • 通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源
    • 类构造器()
      • ()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
      • Java虚拟机会保证在子类的()方法执行前，父类的()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的()方法的类型肯定是java.lang.Object
      • 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成()方法;
      • 执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化

• 类加载器

  • 类加载器实现了类加载阶段中的“整个加载阶段“，自定义类加载器可以灵活处理了“如何得到二进制流”这一步

  • 通过继承抽象类ClassLoader并实现loadClass方法来自定义类加载器

    • 本质是解析某种数据源，得到byte[],通过内置函数defineClass()，完成从byte[]到class对象的转化。

  • 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

  • 双亲委派模型

    • 在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现[插图]，是虚拟机自身的一部分；另外一种就是其他所有的类加载器，这些类加载器都由Java语言实现,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader
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  • 双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此

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  • 上下文加载器实现”向下加载“

虚拟机字节码执行引擎

• 运行时栈帧结构
  • JVM以方法作为最基本的执行单元
    • 每一个方法从调用开始至执行结束的过程，都对应着一个栈帧在虚拟机栈里面从入栈到出栈的过程
    • 每一个栈帧都包括了局部变量表、操作数栈、动态连接、方法返回地址和一些额外的附加信息
    • 一个栈帧需要分配多少内存，并不会受到程序运行期变量数据的影响，而仅仅取决于程序源码和具体的虚拟机实现的栈内存布局形式（编译期确定栈帧大小）
    • 执行引擎所运行的所有字节码指令都只针对当前栈帧进行操作
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  • 局部变量表
    • 一组变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量
  • 操作数栈
    • 当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈和入栈操作。
    • 简单来说，运算过程中产生的中间数据、结果都存放在操作数栈上
  • 动态连接
    • 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池[插图]中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用是为了支持方法调用过程中的动态连接
  • 方法返回地址
• 方法调用
  • 方法调用并不等同于方法中的代码被执行，方法调用阶段唯一的任务就是确定被调用方法的版本（即调用哪一个方法），暂时还未涉及方法内部的具体运行过程
  • 分派
    • 静态分派（编译期决定）
      • 所有依赖静态类型来决定方法执行版本的分派动作，都称为静态分派。最典型应用表现就是方法重载
    • 动态分派（运行期决定）
      • 重写
• 动态类型语言
  • 运行时确定类型，并且忽视了运行时确定的类型与变量静态类型不一致时的”冲突“
  • “变量无类型而变量值才有类型”
• 基于栈的字节码解释执行引擎