学习java虚拟机——（3）类加载与字节码技术

本文最后更新于：5 个月前

类加载与字节码技术

1、类文件结构

一个简单的 HelloWorld.java

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// 二进制字节码（类基本信息，常量池，类方法定义，包含了虚拟机指令）
public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

执行 javac -parameters -d . HellowWorld.java

编译为 HelloWorld.class 后是这个样子的：

根据 JVM 规范，类文件结构如下

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ClassFile {
    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

0~3 字节，表示它是否是【class】类型的文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

ca fe ba be ：意思是 .class 文件，不同的东西有不同的魔数，比如 jpg、png 图片等！

1.2 版本

4~7 字节，表示类的版本 00 34（52） 表示是 Java 8

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.3 常量池

Constant Type Value
CONSTANT_Class 7
CONSTANT_Fieldref 9
CONSTANT_Methodref 10
CONSTANT_InterfaceMethodref 11
CONSTANT_String 8
CONSTANT_Integer 3
CONSTANT_Float 4
CONSTANT_Long 5
CONSTANT_Double 6
CONSTANT_NameAndType 12
CONSTANT_Utf8 1
CONSTANT_MethodHandle 15
CONSTANT_MethodType 16
CONSTANT_InvokeDynamic 18

1.4 访问标识与继承信息

Flag Name Value Interpretation
ACC_PUBLIC 0x0001 Declared public ; may be accessed from outside its package.
ACC_FINAL 0x0010 Declared final ; no subclasses allowed.
ACC_SUPER 0x0020 Treat superclass methods specially when invoked by the invokespecial instruction.
ACC_INTERFACE 0x0200 Is an interface not a class.
ACC_ABSTRACT 0x0400 Declared abstract ; must not be instantiated.
ACC_SYNTHETIC 0x1000 Declared synthetic; not present in the source code.
ACC_ANNOTATION 0x2000 Declared as an annotation type.
ACC_ENUM 0x4000 Declared as an enum type.

1.5 Field 信息

表示成员变量数量，本类为 0

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

FieldType Type Interpretation
B byte signed byte
C char Unicode character code point in the Basic Multilingual Plane encoded with UTF-16
D double double-precision floating-point value
F float single-precision floating-point value
I int integer
J long long integer
L ClassName ; reference an instance of class ClassName
S short signed short
Z boolean true or false
[ reference one array dimension

1.6 Method 信息

表示方法数量，本类为 2

0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

一个方法由 访问修饰符，名称，参数描述，方法属性数量，方法属性组成

1.7 附加属性

参考文献 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html

2、字节码指令

2.1 入门

b7 => invokespecial 预备调用构造方法，哪个方法呢？

  1. 2a => aload_0 加载 slot 0 的局部变量，即 this，做为下面的 invokespecial 构造方法调用的参数
  2. b7 => invokespecial 预备调用构造方法，哪个方法呢？
  3. 00 01 引用常量池中 #1 项，即【Method java/lang/Object."":()V】
  4. b1 表示返回

请参考 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-6.html#jvms-6.5

2.2 javap 工具

自己分析类文件结构太麻烦了，Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件

2.3 图解方法执行流程

代码：

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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);   
    } 
}

2.3.1 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

2.3.2 方法字节码载入方法区

2.3.3 main 线程开始运行，分配栈帧内存

（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。

2.3.4 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

2.3.5 istore_1

将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1

对应代码中的 a = 10

2.3.6 ldc #3

  • 从常量池加载 #3 数据到操作数栈
  • 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

2.3.7 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

2.3.8 iload_1

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

2.3.9 iload_2

2.3.10 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。

2.3.11 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。

2.3. 12 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

2.3.13 iload_3

将局部变量表中 3 号位置的元素压入操作数栈中。

2.3.14 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

2.3.15 return

  • 完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧
  • 程序结束

2.4 练习-分析 i++

目的：从字节码角度分析 a++ 相关题目

源码：

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/**
* 从字节码角度分析 a++ 相关题目
*/
public class Demo3_2 {
 public static void main(String[] args) {
  int a = 10;
  int b = a++ + ++a + a--;
  System.out.println(a);
  System.out.println(b);
 }
}

字节码：

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public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V

  flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC

  Code:

  stack\=2, locals\=3, args\_size\=1

    0: bipush 10

    2: istore_1

    3: iload_1

    4: iinc 1, 1

    7: iinc 1, 1

    10: iload_1

    11: iadd

    12: iload_1

    13: iinc 1, -1

    16: iadd

    17: istore_2

    18: getstatic #2 // Field


  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

    21: iload_1

    22: invokevirtual #3 // Method


  java/io/PrintStream.println:(I)V

    25: getstatic #2 // Field


  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

    28: iload_2

    29: invokevirtual #3 // Method


  java/io/PrintStream.println:(I)V

    32: return


  LineNumberTable:

    line 8: 0

    line 9: 3

    line 10: 18

    line 11: 25

    line 12: 32


  LocalVariableTable:

    Start Length Slot Name Signature

      0 33 0 args \[Ljava/lang/String;

      3 30 1 a I

      18 15 2 b I




分析：

  • 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

2.5 条件判断指令

指令 助记符 含义
0x99 ifeq 判断是否 == 0
0x9a ifne 判断是否 != 0
0x9b iflt 判断是否 < 0
0x9c ifge 判断是否 >= 0
0x9d ifgt 判断是否 > 0
0x9e ifle 判断是否 <= 0
0x9f if_icmpeq 两个int是否 ==
0xa0 if_icmpne 两个int是否 !=
0xa1 if_icmplt 两个int是否 <
0xa2 if_icmpge 两个int是否 >=
0xa3 if_icmpgt 两个int是否 >
0xa4 if_icmple 两个int是否 <=
0xa5 if_acmpeq 两个引用是否 ==
0xa6 if_acmpne 两个引用是否 !=
0xc6 ifnull 判断是否 == null
0xc7 ifnonnull 判断是否 != null

几点说明：

  • byte，short，char 都会按 int 比较，因为操作数栈都是 4 字节
  • goto 用来进行跳转到指定行号的字节码

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public class Demo3_3 {
  public static void main(String[] args) {

    int a = 0;

    if(a == 0) {

      a = 10;


    } else {

      a = 20;


    }


  }


}

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0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: ifne 12
6: bipush 10
8: istore_1
9: goto 15
12: bipush 20
14: istore_1
15: return

以上比较指令中没有 long，float，double 的比较，那么它们要比较怎 么办？
参考 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se7/html/jvms-6.html#jvms-6.5.lcmp

2.6 循环控制指令

其实循环控制还是前面介绍的那些指令，例如 while 循环：

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public class Demo3_4 {
  public static void main(String[] args) {

    int a = 0;

    while (a < 10) {

      a++;


    }


  }


}

字节码是：

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0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 10
5: if_icmpge 14
8: iinc 1, 1
11: goto 2
14: return

再比如 do while 循环：

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public class Demo3_5 {
  public static void main(String[] args) {

    int a = 0;

    do {

      a++;


    } while (a < 10);


  }


}

字节码是：

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 0: iconst_0
 1: istore_1
2: iinc 1, 1
 5: iload_1
6: bipush 10
8: if_icmplt 2
11: return

最后再看看 for 循环：

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public class Demo3_6 {
  public static void main(String[] args) {

    for (int i = 0; i < 10; i++) {

    

    }


  }


}

字节码是：

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0: iconst_0
1: istore_1
2: iload_1
3: bipush 10
5: if_icmpge 14
8: iinc 1, 1
11: goto 2
14: return

注意
比较 while 和 for 的字节码，你发现它们是一模一样的，殊途也能同归

2.7 练习 - 判断结果

请从字节码角度分析，下列代码运行的结果：

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public class Demo3_6_1 {
  public static void main(String[] args) {

    int i = 0;

    int x = 0;

    while (i < 10) {

      x = x++;

      i++;


    }

    System.out.println(x); // 结果是 0


  }


}

2.8 构造方法

2.8.1 ( )V

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public class Demo3_8_1 {
  static int i = 10;

  static {

    i = 20;


  }

  static {

    i = 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 ：

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0: bipush 10
2: putstatic #2 // Field i:I
5: bipush 20
7: putstatic #2 // Field i:I
10: bipush 30
12: putstatic #2 // Field i:I
15: return

()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用

练习
可以自己调整一下 static 变量和静态代码块的位置，观察字节码的改动

2.8.2 ( )V

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public class Demo3_8_2 {
  private String a = "s1";

  {

    b = 20;


  }

  private int b = 10;

  {

    a = "s2";


  }

  public Demo3_8_2(String a, int b) {

    this.a = a;

    this.b = b;


  }

  public static void main(String[] args) {

    Demo3_8_2 d = new Demo3_8_2("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最后

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public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_8_2(java.lang.String, int);
  descriptor: (Ljava/lang/String;I)V

  flags: ACC_PUBLIC

  Code:

  stack\=2, locals\=3, args\_size\=3

    0: aload_0

    1: invokespecial #1 // super.<init>()V

    4: aload_0

    5: ldc #2 // <- "s1"

    7: putfield #3 // -> this.a

    10: aload_0

    11: bipush 20 // <- 20

    13: putfield #4 // -> this.b

    16: aload_0

    17: bipush 10 // <- 10

    19: putfield #4 // -> this.b

    22: aload_0

    23: ldc #5 // <- "s2"

    25: putfield #3 // -> this.a

    28: aload_0 // ------------------------------

    29: aload_1 // <- slot 1(a) "s3" |

    30: putfield #3 // -> this.a |

    33: aload_0 |

    34: iload_2 // <- slot 2(b) 30 |

    35: putfield #4 // -> this.b --------------------

    38: return


  LineNumberTable: ...

  LocalVariableTable:

  Start Length Slot Name Signature

    0 39 0 this Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_8_2;

    0 39 1 a Ljava/lang/String;

    0 39 2 b I


  MethodParameters: ...



2.9 方法调用

看一下几种不同的方法调用对应的字节码指令

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public class Demo3_9 {
 public Demo3_9() { }
 
 private void test1() { }
 
 private final void test2() { }
 
 public void test3() { }
 
 public static void test4() { }
 
 public static void main(String[] args) {
  Demo3_9 d = new Demo3_9();
  d.test1();
  d.test2();
  d.test3();
  d.test4();
  Demo3_9.test4();
 }
}

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0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_9
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: aload_1
21: pop
22: invokestatic #7 // Method test4:()V
25: invokestatic #7 // Method test4:()V
28: 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
  • 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

当执行 invokevirtual 指令时，

  1. 先通过栈帧中的对象引用找到对象
  2. 分析对象头，找到对象的实际 Class
  3. Class 结构中有 vtable，它在类加载的链接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了
  4. 查表得到方法的具体地址 5. 执行方法的字节码

2.11 异常处理

try-catch

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public class Code_15_TryCatchTest {

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        }catch (Exception e) {
            i = 20;
        }
    }

}

对应字节码指令

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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

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public class Code_16_MultipleCatchTest {

    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

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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

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public class Code_17_FinallyTest {
    
    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

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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

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public class Code_18_FinallyReturnTest {

    public static void main(String[] args) {
        int i = Code_18_FinallyReturnTest.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

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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

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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

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public static int test() {
 int i = 10;
 try {
  return i;
 } finally {
  i = 20;
 }
}

对应字节码

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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

2.12 Synchronized

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public class Code_19_SyncTest {

    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }

}

对应字节码

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Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/lang/Object
         3: dup // 复制一份栈顶，然后压入栈中。用于函数消耗
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         7: astore_1 // 将栈顶的对象地址方法 局部变量表中 1 中
         8: aload_1 // 加载到操作数栈
         9: dup // 复制一份，放到操作数栈，用于加锁时消耗
        10: astore_2 // 将操作数栈顶元素弹出，暂存到局部变量表的 2 号槽位。这时操作数栈中有一份对象的引用
        11: monitorenter // 加锁
        12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: ldc           #4                  // String ok
        17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        20: aload_2 // 加载对象到栈顶
        21: monitorexit // 释放锁
        22: goto          30
        // 异常情况的解决方案 释放锁！
        25: astore_3
        26: aload_2
        27: monitorexit
        28: aload_3
        29: athrow
        30: return
        // 异常表！
      Exception table:
         from    to  target type
            12    22    25   any
            25    28    25   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

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

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public class Candy1 {

}

经过编译期优化后

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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

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public class Candy2 {
   public static void main(String[] args) {
      Integer x = 1;
      int y = x;
   }
}

转换过程如下

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public class Candy2 {
   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：

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public class Candy3 {
   public static void main(String[] args) {
      List<Integer> list = new ArrayList<>();
      list.add(10);
      Integer x = list.get(0);
   }
}

对应字节码

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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。

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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

1
int x = (Integer) list.get(0).intValue();

使用反射可以得到，参数的类型以及泛型类型。泛型反射代码如下：

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public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException {
    // 1. 拿到方法
    Method method = Code_20_ReflectTest.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
    // 2. 得到泛型参数的类型信息
    Type[] types = method.getGenericParameterTypes();
    for(Type type : types) {
        // 3. 判断参数类型是否，带泛型的类型。
        if(type instanceof ParameterizedType) {
            ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;

            // 4. 得到原始类型
            System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());
            // 5. 拿到泛型类型
            Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
            for(int i = 0; i < arguments.length; i++) {
                System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]);
            }
        }
    }
}

public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
    return null;
}

输出：

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原始类型 - interface java.util.List
泛型参数[0] - class java.lang.String
原始类型 - interface java.util.Map
泛型参数[0] - class java.lang.Integer
泛型参数[1] - class java.lang.Object

3.4 可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性： 例如：

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public class Candy4 {
   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：

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public class Candy4 {
   public Candy4 {}
   public static void foo(String[] args) {
      String[] arr = args;
      System.out.println(arr.length);
   }

   public static void main(String[] args) {
      foo(new String[]);
   }
}

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

仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

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public class Candy5 {
 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

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public class Candy5 {
    public Candy5() {}

 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

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public class Candy5 {
   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.

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public class Candy5 {
    public Candy5(){}
    
   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：

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public class Cnady6 {
   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

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public class Candy6 {
   public Candy6() {
      
   }
   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

3.7 switch 枚举

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enum SEX {
   MALE, FEMALE;
}
public class Candy7 {
   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;
      }
   }
}

编译器中执行的代码如下

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enum SEX {
   MALE, FEMALE;
}

public class Candy7 {
   /**     
    * 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;
      }
   }
}

3.8 枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

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enum SEX {
   MALE, FEMALE;
}

转换后的代码

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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 try-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’

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try(资源变量 = 创建资源对象) {
 
} catch() {

}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如 InputStream 、 OutputStream 、 Connection 、 Statement 、 ResultSet 等接口都实现了 AutoCloseable ，使用 try-with- resources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成关闭资源代码，例如：

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public class Candy9 { 
 public static void main(String[] args) {
  try(InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt")){ 
   System.out.println(is); 
  } catch (IOException e) { 
   e.printStackTrace(); 
  } 
 } 
}

会被转换为：

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public class Candy9 { 
    
    public Candy9() { }
   
    public static void main(String[] args) { 
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt");
            Throwable t = null; 
            try {
                System.out.println(is); 
            } catch (Throwable e1) { 
                // t 是我们代码出现的异常 
                t = e1; 
                throw e1; 
            } finally {
                // 判断了资源不为空 
                if (is != null) { 
                    // 如果我们代码有异常
                    if (t != null) { 
                        try {
                            is.close(); 
                        } catch (Throwable e2) { 
                            // 如果 close 出现异常，作为被压制异常添加
                            t.addSuppressed(e2); 
                        } 
                    } else { 
                        // 如果我们代码没有异常，close 出现的异常就是最后 catch 块中的 e 
                        is.close(); 
                    } 
                } 
            } 
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace(); 
        } 
    }
}

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）：

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public class Test6 { 
 public static void main(String[] args) { 
  try (MyResource resource = new MyResource()) { 
   int i = 1/0; 
  } catch (Exception e) { 
   e.printStackTrace(); 
  } 
 } 
}
class MyResource implements AutoCloseable { 
 public void close() throws Exception { 
  throw new Exception("close 异常"); 
 } 
}

输出：

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java.lang.ArithmeticException: / by zero 
 at test.Test6.main(Test6.java:7) 
 Suppressed: java.lang.Exception: close 异常 
  at test.MyResource.close(Test6.java:18) 
  at test.Test6.main(Test6.java:6)

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）
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class A { 
 public Number m() { 
  return 1; 
 } 
}
class B extends A { 
 @Override 
 // 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类  
 public Integer m() { 
  return 2; 
 } 
}

对于子类，java 编译器会做如下处理：

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class B extends A { 
 public Integer m() { 
  return 2; 
 }
 // 此方法才是真正重写了父类 public Number m() 方法 
 public synthetic bridge Number m() { 
  // 调用 public Integer m() 
  return m(); 
 } 
}

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：

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public static void main(String[] args) {
        for(Method m : B.class.getDeclaredMethods()) {
            System.out.println(m);
        }
    }

结果：

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public java.lang.Integer cn.ali.jvm.test.B.m()
public java.lang.Number cn.ali.jvm.test.B.m()

3.10 匿名内部类

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public class Candy10 {
   public static void main(String[] args) {
      Runnable runnable = new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
            System.out.println("running...");
         }
      };
   }
}

转换后的代码

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public class Candy10 {
   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 Candy10$1();
   }
}

// 创建了一个额外的类，实现了 Runnable 接口
final class Candy10$1 implements Runnable {
   public Demo8$1() {}

   @Override
   public void run() {
      System.out.println("running...");
   }
}

引用局部变量的匿名内部类，源代码：

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public class Candy11 { 
 public static void test(final int x) { 
  Runnable runnable = new Runnable() { 
   @Override 
   public void run() {  
    System.out.println("ok:" + x); 
   } 
  }; 
 } 
}

转换后代码：

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// 额外生成的类 
final class Candy11$1 implements Runnable { 
 int val$x; 
 Candy11$1(int x) { 
  this.val$x = x; 
 }
 public void run() { 
  System.out.println("ok:" + this.val$x); 
 } 
}

public class Candy11 { 
 public static void test(final int x) { 
  Runnable runnable = new Candy11$1(x); 
 } 
}

注意：这同时解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final 的：因为在创建 Candy11$1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy11$1 对象的 值后，如果不是 final 声明的 x 值发生了改变，匿名内部类则值不一致。

4、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

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

注意

  • instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror 是存储在堆中
  • 可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

4.2 链接

4.2.1 验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查

用 UE 等支持二进制的编辑器修改 HelloWorld.class 的魔数，在控制台运行

4.2.2 准备

为 static 变量分配空间，设置默认值

  • static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
  • static 变量分配空间和赋值是两个步骤，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将常量池中的符号引用解析为直接引用
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public class Code_22_AnalysisTest {


    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
        ClassLoader classLoader = Code_22_AnalysisTest.class.getClassLoader();
        Class<?> c = classLoader.loadClass("cn.ali.jvm.test.C");

        // new C();
        System.in.read();
    }

}

class C {
    D d = new D();
}

class D {

}

4.3初始化

()v 方法

初始化即调用 ()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

发生的时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

  • 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

不会导致类初始化的情况

  • 访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
  • 类对象.class 不会触发初始化
  • 创建该类的数组不会触发初始化
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public class Load1 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
//         System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
//         System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
//         System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
//         ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
//         cl.loadClass("cn.ali.jvm.test.classload.B");
        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
//         ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
//         Class.forName("cn.ali.jvm.test.classload.B", false, c2);


        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
//         System.out.println(A.a);
        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
//         System.out.println(B.c);
        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
//         System.out.println(B.a);
        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
//         Class.forName("cn.ali.jvm.test.classload.B");
    }

}


class A {
    static int a = 0;
    static {
        System.out.println("a init");
    }
}
class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;
    static {
        System.out.println("b init");
    }
}

4.4 练习

从字节码分析，使用 a，b，c 这三个常量是否会导致 E 初始化

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public class Load2 {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);
        System.out.println(E.b);
        // 会导致 E 类初始化，因为 Integer 是包装类
        System.out.println(E.c);
    }
}

class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;

    static {
        System.out.println("E cinit");
    }
}

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式

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public class Singleton {

    private Singleton() { } 
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder { 
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton(); 
    }
    // 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员 
    public static Singleton getInstance() { 
        return LazyHolder.INSTANCE; 
    }
}

以上的实现特点是：

  • 懒惰实例化
  • 初始化时的线程安全是有保障的

5、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

5.1 启动类的加载器

可通过在控制台输入指令，使得类被启动类加器加载

用 Bootstrap 类加载器加载类：

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package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class F 
{ 
  static { 

    System.out.println("bootstrap F init"); 


  } 


}

执行

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package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class Load5_1 {
  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {

    Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");

    System.out.println(aClass.getClassLoader());


  }


}

输出

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E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:.
cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null
  • -Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath
  • 其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后
  • 可以用这个办法替换核心类
    • java -Xbootclasspath:
    • java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
    • java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

5.2 扩展类的加载器

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。

使用应用程序类加载器

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package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
  static {

    System.out.println("classpath G init");


  }


}

执行

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public class Load5_2 {
  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {

    Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");

    System.out.println(aClass.getClassLoader());


  }


}

输出

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classpath G init 
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

使用扩展类加载器

写一个同名的类

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package cn.itcast.jvm.t3.load;
  public class G {

    static {

    System.out.println("ext G init");


  }


}

打个 jar 包

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E:\git\jvm\out\production\jvm>jar -cvf my.jar cn/itcast/jvm/t3/load/G.class
已添加清单
正在添加: cn/itcast/jvm/t3/load/G.class(输入 = 481) (输出 = 322)(压缩了 33%)

将 jar 包拷贝到 JAVA_HOME/jre/lib/ext

重新执行 Load5_2

输出

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ext G init 
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44

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。

注意 这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

loadClass源码

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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;
    }
}

例如：

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public class Load5_3 {
  public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {

    Class<?> aClass = Load5_3.class.getClassLoader()

    .loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.H");

    System.out.println(aClass.getClassLoader());


  }


}

执行流程为：

  1. sun.misc.Launcher$AppClassLoader //1 处， 开始查看已加载的类，结果没有
  2. sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 2 处，委派上级 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()
  3. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 1 处，查看已加载的类，结果没有
  4. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader 查找
  5. BootstrapClassLoader 是在 JAVA_HOME/jre/lib 下找 H 这个类，显然没有
  6. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 4 处，调用自己的 findClass 方法，是在 JAVA_HOME/jre/lib/ext 下找 H 这个类，显然没有，回到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 的 // 2 处
  7. 继续执行到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 4 处，调用它自己的 findClass 方法，在 classpath 下查找，找到了

5.4 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
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class MyClassLoader extends ClassLoader {

    @Override // name 就是类名称
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String path = "e:\\myclasspath\\" + name + ".class";

        try {
            ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();
            Files.copy(Paths.get(path), os);

            // 得到字节数组
            byte[] bytes = os.toByteArray();

            // byte[] -> *.class
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);

        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new ClassNotFoundException("类文件未找到", e);
        }
    }
}

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

6、运行期优化

6.1 即时编译

6.1.1 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

6.1.2 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

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private static int square(final int i) {
  return i * i;


}

System.out.println(square(9));

如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、

粘贴到调用者的位置：

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System.out.println(9 * 9);

还能够进行常量折叠（constant folding）的优化

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System.out.println(81);

6.1.3 字段优化

JMH 基准测试请参考：http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/

创建 maven 工程，添加依赖如下

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<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>

  <artifactId>jmh-core</artifactId>

  <version>${jmh.version}</version>


</dependency>
<dependency>
  <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>

  <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>

  <version>${jmh.version}</version>

  <scope>provided</scope>


</dependency>

编写基准测试代码：

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package test;
import org.openjdk.jmh.annotations.*;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;

//进行几轮热身
@Warmup(iterations = 2, time = 1)
//进行几轮测试
@Measurement(iterations = 5, time = 1)
@State(Scope.Benchmark)
public class Benchmark1 {
 int[] elements = randomInts(1_000);
 
 private static int[] randomInts(int size) {
  Random random = ThreadLocalRandom.current();
  int[] values = new int[size];
  for (int i = 0; i < size; i++) {
   values[i] = random.nextInt();
  }
  return values;
 }
 @Benchmark
 public void test1() {
  for (int i = 0; i < elements.length; i++) {
   doSum(elements[i]);
  }
 }
 @Benchmark
 public void test2() {
  int[] local = this.elements;
  for (int i = 0; i < local.length; i++) {
   doSum(local[i]);
  }
 }
 @Benchmark
 public void test3() {
  for (int element : elements) {
  doSum(element);
  }
 }
 static int sum = 0;
 @CompilerControl(CompilerControl.Mode.INLINE)
 static void doSum(int x) {
  sum += x;
 }
 public static void main(String[] args) throws RunnerException {
  Options opt = new OptionsBuilder()
  .include(Benchmark1.class.getSimpleName())
  .forks(1)
  .build();
  new Runner(opt).run();
 } 
}

首先启用 doSum 的方法内联，测试结果如下（每秒吞吐量，分数越高的更好）：

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Benchmark Mode Samples Score Score error Units
t.Benchmark1.test1 thrpt 5 2420286.539 390747.467 ops/s
t.Benchmark1.test2 thrpt 5 2544313.594 91304.136 ops/s
t.Benchmark1.test3 thrpt 5 2469176.697 450570.647 ops/s

接下来禁用 doSum 方法内联

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@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)
static void doSum(int x) {
  sum += x;


}

测试结果如下：

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Benchmark Mode Samples Score Score error Units
t.Benchmark1.test1 thrpt 5 296141.478 63649.220 ops/s
t.Benchmark1.test2 thrpt 5 371262.351 83890.984 ops/s
t.Benchmark1.test3 thrpt 5 368960.847 60163.391 ops/s

分析：

在刚才的示例中，doSum 方法是否内联会影响 elements 成员变量读取的优化：

如果 doSum 方法内联了，刚才的 test1 方法会被优化成下面的样子（伪代码）：

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@Benchmark
public void test1() {
  // elements.length 首次读取会缓存起来 -> int[] local

  for (int i = 0; i < elements.length; i++) { // 后续 999 次 求长度 <- local

    sum += elements[i]; // 1000 次取下标 i 的元素 <- local


  }


}

可以节省 1999 次 Field 读取操作

但如果 doSum 方法没有内联，则不会进行上面的优化

6.2 反射优化

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package cn.itcast.jvm.t3.reflect;
import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
public class Reflect1 {
  public static void foo() {

    System.out.println("foo...");


  }

  public static void main(String[] args) throws Exception {

    Method foo = Reflect1.class.getMethod("foo");

    for (int i = 0; i <= 16; i++) {

      System.out.printf("%d\t", i);

      foo.invoke(null);


    }

    System.in.read();


  }


}

foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现

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package sun.reflect;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import sun.reflect.misc.ReflectUtil;
class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
private final Method method;
  private final Method method;

  private DelegatingMethodAccessorImpl parent;

  private int numInvocations;

  

  NativeMethodAccessorImpl(Method method) {

    this.method = method;


  }

  

  public Object invoke(Object target, Object[] args)

  throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {

    // inflationThreshold 膨胀阈值，默认 15

    if (++this.numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold()

    && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass()))

    {

      // 使用 ASM 动态生成的新实现代替本地实现，速度较本地实现快 20 倍左右

      MethodAccessorImpl generatedMethodAccessor =

        (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(generatedMethodAccessor);


    }

    // 调用本地实现

    return invoke0(this.method, target, args);


  }

  

  void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl parent) {

    this.parent = parent;


  }

  

  private static native Object invoke0(Method method, Object target, Object\[\] args);


}

当调用到第 16 次（从0开始算）时，会采用运行时生成的类代替掉最初的实现，可以通过 debug 得到

类名为 sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1

可以使用阿里的 arthas 工具：

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java -jar arthas-boot.jar
[INFO] arthas-boot version: 3.1.1
[INFO] Found existing java process, please choose one and hit RETURN.
* [1]: 13065 cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1

选择 1 回车表示分析该进程

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[INFO] arthas home: /root/.arthas/lib/3.1.1/arthas
[INFO] Try to attach process 13065
[INFO] Attach process 13065 success.
[INFO] arthas-client connect 127.0.0.1 3658
,---. ,------. ,--------.,--. ,--. ,---. ,---.
/ O \ | .--. ''--. .--'| '--' | / O \ ' .-'
| .-. || '--'.' | | | .--. || .-. |`. `-.
| | | || |\ \ | | | | | || | | |.-' |
`--' `--'`--' '--' `--' `--' `--'`--' `--'`-----'
wiki https://alibaba.github.io/arthas
tutorials https://alibaba.github.io/arthas/arthas-tutorials
version 3.1.1
pid 13065
time 2019-06-10 12:23:54

再输入【jad + 类名】来进行反编译

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$ jad sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1
ClassLoader:
+-sun.reflect.DelegatingClassLoader@15db9742
+-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4e0e2f2a
+-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2fdb006e
Location:
/*
* Decompiled with CFR 0_132.
*
* Could not load the following classes:
* cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1
*/
package sun.reflect;
import cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import sun.reflect.MethodAccessorImpl;
public class GeneratedMethodAccessor1
extends MethodAccessorImpl {
  /*

  * Loose catch block

  * Enabled aggressive block sorting

  * Enabled unnecessary exception pruning

  * Enabled aggressive exception aggregation

  * Lifted jumps to return sites

  */

  public Object invoke(Object object, Object[] arrobject) throws

  InvocationTargetException {

    // 比较奇葩的做法，如果有参数，那么抛非法参数异常

    block4 : {

      if (arrobject == null || arrobject.length == 0) break block4;

      throw new IllegalArgumentException();


    }

    try {

      // 可以看到，已经是直接调用了😱😱😱

      Reflect1.foo();

      // 因为没有返回值

      return null;


    }

    catch (Throwable throwable) {

      throw new InvocationTargetException(throwable);


    }

    catch (ClassCastException | NullPointerException runtimeException) {

      throw new IllegalArgumentException(Object.super.toString());


    }


  }


}
Affect(row-cnt:1) cost in 1540 ms.

注意
通过查看 ReflectionFactory 源码可知

  • sun.reflect.noInflation 可以用来禁用膨胀（直接生成 GeneratedMethodAccessor1，但首次生成比较耗时，如果仅反射调用一次，不划算）
  • sun.reflect.inflationThreshold 可以修改膨胀阈值
学习java虚拟机
#Java #jvm
学习java虚拟机——（3）类加载与字节码技术
https://changzer.gitee.io/2022/09/18/学习java虚拟机——3类加载与字节码技术/
作者
长泽
发布于
2022年9月18日
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