一起學(xué)Java虛擬機(jī)系列：

• 一起學(xué)Java虛擬機(jī)（一）：內(nèi)存區(qū)域和垃圾收集

前言

了解JVM是對Java程序員的基本要求，但是有多少同學(xué)和我有一樣醉心解bug堆布局，忘記了內(nèi)功修煉，對JVM的理解是零碎的。系統(tǒng)地學(xué)習(xí)一次JVM也許能讓我們在這條路走得更好更遠(yuǎn)。

無關(guān)性

平臺無關(guān)性

• “一次編寫，到處運(yùn)行（Write Once，Run Anywhere）”
• 各種不同平臺的Java虛擬機(jī)，以及所有平臺都統(tǒng)一支持的程序存儲格式——字節(jié)碼（Byte Code）

語言無關(guān)性

• Java虛擬機(jī)不與包括Java語言在內(nèi)的任何程序語言綁定，它只與“Class文件”這種特定的二進(jìn)制文件格式所關(guān)聯(lián)，Class文件中包含了Java虛擬機(jī)指令集、符號表以及若干其他輔助信息。
• Java的規(guī)范拆分成了《Java語言規(guī)范》（The Java Language Specification）及《Java虛擬機(jī)規(guī)范（The Java Virtual Machine Specification）兩部分
• 作為一個通用的、與機(jī)器無關(guān)的執(zhí)行平臺，任何其他語言的實(shí)現(xiàn)者都可以將Java虛擬機(jī)作為他們語言的運(yùn)行基礎(chǔ)，以Class文件作為他們產(chǎn)品的交付媒介。

image.png

Class類文件的結(jié)構(gòu)

Class文件是一組以8個字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流，各個數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格按照順序緊湊地排列在文
件之中，中間沒有添加任何分隔符，這使得整個Class文件中存儲的內(nèi)容幾乎全部是程序運(yùn)行的必要數(shù)
據(jù)，沒有空隙存在。當(dāng)遇到需要占用8個字節(jié)以上空間的數(shù)據(jù)項(xiàng)時，則會按照高位在前（大端表示法（big-endian））的方式分割成若干個8個字節(jié)進(jìn)行存儲。

“無符號數(shù)”和"表"

根據(jù)《Java虛擬機(jī)規(guī)范》的規(guī)定，Class文件格式采用一種類似于C語言結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)
據(jù)，這種偽結(jié)構(gòu)中只有兩種數(shù)據(jù)類型：“無符號數(shù)”和“表”。

• 無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u1、u2、u4、u8來分別代表1個字節(jié)、2個字節(jié)、4個字節(jié)和8個字節(jié)的無符號數(shù)，無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字、索引引用、數(shù)量值或者按照UTF-8編碼構(gòu)成字符串值。
• 表是由多個無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型，為了便于區(qū)分，所有表的命名都習(xí)慣性地以“_info”結(jié)尾。表用于描述有層次關(guān)系的復(fù)合結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，整個Class文件本質(zhì)上也可以視作是一張表。

使用010Editor查看class文件結(jié)構(gòu)

通過010Editor查看HelloWorld.class

public class HelloWorld {

    private static final String HELLO_WORLD = "Hello World!";
    public static void main(String args[]) {
        System.out.println(HELLO_WORLD);
    }
}

下載地址:

https://www.sweetscape.com/download/010editor/

下載完成后打開class文件會自動提示安裝CLASSAdv.bt插件

image.png

魔數(shù)

• magic
  每個Class文件的頭4個字節(jié)被稱為魔數(shù)（Magic Number），它的唯一作用是確定這個文件是否為
  一個能被虛擬機(jī)接受的Class文件，Class文件的魔數(shù)取得很有“浪漫氣息”，值為0xCAFEBABE

image.png

版本號

• minorersion 和 major_version
  緊接著魔數(shù)的4個字節(jié)存儲的是Class文件的版本號：第5和第6個字節(jié)是次版本號（Minor Version），第7和第8個字節(jié)是主版本號（Major Version）
  
  每個版本的 JDK 都有自己特定的版本號。高版本的 JDK 向下兼容低版本的 Class 文件，但低版本不能運(yùn)行高版本的 Class 文件，即使文件格式?jīng)]有發(fā)生任何變化，虛擬機(jī)也拒絕執(zhí)行高于其版本號的 Class 文件

52對應(yīng)jdk8

常量池

• u2 constant_pool_count
  由于常量池中常量的數(shù)量是不固定的，所以在常量池的入口需要放置一項(xiàng)u2類型的數(shù)據(jù)，代表常
  量池容量計數(shù)值（constant_pool_count）

image.png

• u2 constant_pool

常量池中主要存放兩大類常量：字面量（Literal）和符號引用（Symbolic References）,常量池中每一項(xiàng)常量都是一個表。

常量池的數(shù)據(jù)類型有十幾種，各自都有自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，但是他們都有一個共有屬性 tag。tag 是標(biāo)志位，標(biāo)記是哪一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

常見常量池類型：

我們再來粗略解析一下常量池的第一項(xiàng)常量

image.png

• tag ：10 代表類型CONSTANT_Methodref_info，類中方法的符號引用
• classIndex ： 6 這個是一個常量池索引， 代表第5個數(shù)據(jù)項(xiàng)（CONSTANT_Methodref_info 的 class_index 指向的數(shù)據(jù)項(xiàng)永遠(yuǎn)是 CONSTANT_Class_info）
• name_and_type_index ：23 同樣是一個常量池索引

先來看：classIndex：

image.png

• tag ：7代表CONSTANT_Class_info
• name_index :30 又是一個常量池索引

image.png

• 數(shù)據(jù)項(xiàng)29代表了一個CONSTANT_Utf8_info類型，bytes[16]里是字符串的內(nèi)容，從 010Editor 解析內(nèi)容可以看到這個字符串是 java/lang/System，表示類的權(quán)限定名

回頭在來看第一個常量的 name_and_type_index

image.png

• tag : 12 代表CONSTANT_NameAndType_info
• name_index 表示字段或者方法的非限定名，這里的值是 <init>
• descriptor_index表示字段描述符或者方法描述符，這里的值是 ()V。

image.png

這樣，常量池的第一個數(shù)據(jù)項(xiàng)就分析完了，后面的每一個數(shù)據(jù)項(xiàng)都可以按照這樣分析

javap工具

剩余部分全部手動分析太雷，我們偷個懶。在JDK的bin目錄中，Oracle公司已經(jīng)為我們
準(zhǔn)備好一個專門用于分析Class文件字節(jié)碼的工具：javap

HP-ProDesk-680-G6-PCI-Microtower-PC:~/DEBUG$ javap -verbose HelloWorld.class 
Classfile /home/mi/DEBUG/HelloWorld.class
  Last modified May 12, 2021; size 641 bytes
  MD5 checksum 1910a4531e5743c190636067d43d4bc4
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class com.wang.javavmdemo.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
  this_class: #3                          // com/wang/javavmdemo/HelloWorld
  super_class: #6                         // java/lang/Object
  interfaces: 0, fields: 1, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #24.#25        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Class              #26            // com/wang/javavmdemo/HelloWorld
   #4 = String             #27            // Hello World!
   #5 = Methodref          #28.#29        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #6 = Class              #30            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               HELLO_WORLD
   #8 = Utf8               Ljava/lang/String;
   #9 = Utf8               ConstantValue
  #10 = Utf8               <init>
  #11 = Utf8               ()V
  #12 = Utf8               Code
  #13 = Utf8               LineNumberTable
  #14 = Utf8               LocalVariableTable
  #15 = Utf8               this
  #16 = Utf8               Lcom/wang/javavmdemo/HelloWorld;
  #17 = Utf8               main
  #18 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #19 = Utf8               args
  #20 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #21 = Utf8               SourceFile
  #22 = Utf8               HelloWorld.java
  #23 = NameAndType        #10:#11        // "<init>":()V
  #24 = Class              #31            // java/lang/System
  #25 = NameAndType        #32:#33        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               com/wang/javavmdemo/HelloWorld
  #27 = Utf8               Hello World!
  #28 = Class              #34            // java/io/PrintStream
  #29 = NameAndType        #35:#36        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #30 = Utf8               java/lang/Object
  #31 = Utf8               java/lang/System
  #32 = Utf8               out
  #33 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #34 = Utf8               java/io/PrintStream
  #35 = Utf8               println
  #36 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public com.wang.javavmdemo.HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/wang/javavmdemo/HelloWorld;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) 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           #4                  // String Hello World!
         5: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 8: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature我
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "HelloWorld.java"

類文件的剩余部分，先預(yù)覽一下：

image.png

訪問標(biāo)志

• access_flags
  在常量池結(jié)束之后，緊接著的2個字節(jié)代表訪問標(biāo)志（access_flags），這個標(biāo)志用于識別一些類或
  者接口層次的訪問信息，包括：這個Class是類還是接口；是否定義為public類型；是否定義為abstract
  類型；如果是類的話，是否被聲明為final；等等

標(biāo)志位及含義表：

HelloWorld是一個普通類，不是接口、注解、枚舉類型或者莫模塊，并且被public關(guān)鍵字修飾
因此他的access_flag應(yīng)該為ACC_PUBIC|ACC_SUPER，轉(zhuǎn)換為10進(jìn)制就是33

類索引、父類索引與接口索引集合

Class文件中由這三項(xiàng)數(shù)據(jù)來確定該類型的繼承關(guān)系。

• this_class類索引用于確定這個類的全限定名。value指向常量池中的索引。
• super_class父類索引用于確定這個類的父類的全限定名。由于Java語言不允許多重繼承，所以父類索引只有一個，除了java.lang.Object之外，所有的Java類都有父類，因此除了java.lang.Object外，所有Java類的父類索引都不為0。
• interfaces_count，表示的是該類實(shí)現(xiàn)的接口數(shù)量。HelloWorld未實(shí)現(xiàn)任何接口所以是0。
• 如果實(shí)現(xiàn)了若干接口，這些接口信息將存儲在之后的 interfaces[] 之中。接口索引集合就用來描述這個類實(shí)現(xiàn)了哪些接口，這些被實(shí)現(xiàn)的接口將按implements關(guān)鍵字（如果這個Class文件表示的是一個接口，則應(yīng)當(dāng)是extends關(guān)鍵字）后的接口順序從左到右排列在接口索引集合中。

字段表長度和字段表集合

Java語言中的“字段”（Field）包括類級變量以及實(shí)例級變量，但不包括在方法內(nèi)部聲明的局部變量。

• fileds_count 表示該類中聲明的變量個數(shù)
• filed_info 表示該類中聲明的變量信息

private static final String HELLOWORLD = "HelloWorld";

可以看出來，Java中描述一個字段首先是訪問范圍，是公有的還是私有的，或者受保護(hù)的，這個信息決定了字段是否堆特定范圍的類可見。
其次是一些關(guān)鍵字修飾的描述信息，是實(shí)例變量還是類變量，是否可變，并發(fā)可見性，是否可被序列化等，這些關(guān)鍵字包括static、final 、volatile、transient等。
在后面便是字段的數(shù)據(jù)類型（基本數(shù)據(jù)類型、數(shù)組、對象）和名稱。
上述的這些修飾符都是用布爾值來描述的，而數(shù)據(jù)類型和名稱都是不確定的，通常引用常量池的常量來描述。

image.png

方法表長度和方法表集合

Class文件存儲
格式中對方法的描述與對字段的描述采用了幾乎完全一致的方式，方法表的結(jié)構(gòu)如同字段表一樣，依
次包括訪問標(biāo)志（access_flags）、名稱索引（name_index）、描述符索引（descriptor_index）、屬性表
集合（attributes）幾項(xiàng)

image.png

方法的定義可以通過訪問標(biāo)志、名稱和描述符索引來表述清楚，那么方法中的代碼又在哪里呢？

方法里的java代碼經(jīng)過編譯器編譯成字節(jié)碼指令后，存放在方法的屬性表集合里一個名為“Code”的屬性里。

image.png

attribute_name_index 對應(yīng)一個類型為CONSTANT_Utf8_info的常量索引，常量值固定為“Code”

屬性表長度和屬性表集合

Class文件、字段表、方法表都可以攜帶自己的屬性表集合，以描述某些場景專有的信息

image.png

與class文件其它數(shù)據(jù)項(xiàng)目嚴(yán)格要求順序長度不同，屬性表集合限制相對比較寬松，不要求各個屬性表具有嚴(yán)格順序，只要不與已有屬性名重復(fù)，任何人實(shí)現(xiàn)的編譯器均可向?qū)傩员韺懭胱约旱膶傩?，jvm運(yùn)行時會自動忽略掉不認(rèn)識的屬性。

java7中定義的屬性如下表：

關(guān)于字段表集合、屬性表集合、方法表集合的結(jié)構(gòu) 以及acess_flag的列表
可以像查字典一樣查閱《深入理解JAVA虛擬機(jī)》6.3小節(jié)的內(nèi)容。我們只需要理解原理。