Java JVM类加载与字节码

VincentHu_2024-01-26 12:28

类文件结构

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

HelloWorld.java

java 复制代码 
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：

Plain 复制代码 
[root@localhost ~]# od -t xC HelloWorld.class
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：

Plain 复制代码 
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];
}

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

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

常量池

Constant Type Value(十进制)
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

8~9 字节，表示常量池长度，00 23（35）表示常量池有 #1~#34 项，注意 #0 项不计入，也没有值

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

第#1项 0a 表示一个 Method 信息，00 06 和 00 15（21） 表示它引用了常量池中 #6 和 #21 项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】

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

第#2项 09 表示一个 Field 信息，00 16（22）和 00 17（23） 表示它引用了常量池中 #22 和 # 23 项来获得这个成员变量的【所属类】和【成员变量名】

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

第#3项 08 表示一个字符串常量名称，00 18（24）表示它引用了常量池中 #24 项

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#4项 0a 表示一个 Method 信息，00 19（25） 和 00 1a（26） 表示它引用了常量池中 #25 和 #26项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#5项 07 表示一个 Class 信息，00 1b（27） 表示它引用了常量池中 #27 项

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#6项 07 表示一个 Class 信息，00 1c（28） 表示它引用了常量池中 #28 项

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

第#7项 01 表示一个 utf8 串，00 06 表示长度，3c 69 6e 69 74 3e 是【<init>】

0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

第#8项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，28 29 56 是【()V】其实就是表示无参、无返回值

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

第#9项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，43 6f 64 65 是【Code】

0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

第#10项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65是【LineNumberTable】

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

第#11项 01 表示一个 utf8 串，00 12（18） 表示长度，4c 6f 63 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65是【LocalVariableTable】

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

第#12项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【this】

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

第#13项 01 表示一个 utf8 串，00 1d（29） 表示长度，是【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】

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

第#14项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【main】

0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16

第#15项 01 表示一个 utf8 串，00 16（22） 表示长度，是【([Ljava/lang/String;)V】其实就是参数为字符串数组，无返回值

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

第#16项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，是【args】

0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

第#17项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【[Ljava/lang/String;】

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

第#18项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【MethodParameters】

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

第#19项 01 表示一个 utf8 串，00 0a（10） 表示长度，是【SourceFile】

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

第#20项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【HelloWorld.java】

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

第#21项 0c 表示一个 【名+类型】，00 07 00 08 引用了常量池中 #7 #8 两项

0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#22项 07 表示一个 Class 信息，00 1d（29） 引用了常量池中 #29 项

0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#23项 0c 表示一个 【名+类型】，00 1e（30） 00 1f （31）引用了常量池中 #30 #31 两项

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

第#24项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【hello world】

0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

第#25项 07 表示一个 Class 信息，00 20（32） 引用了常量池中 #32 项

0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

第#26项 0c 表示一个 【名+类型】，00 21（33） 00 22（34）引用了常量池中 #33 #34 两项

0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

第#27项 01 表示一个 utf8 串，00 1b（27） 表示长度，是【cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld】

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

第#28项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/Object】

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

第#29项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/System】

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

第#30项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，是【out】

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

第#31项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【Ljava/io/PrintStream;】

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

第#32项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【java/io/PrintStream】

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

第#33项 01 表示一个 utf8 串，00 07 表示长度，是【println】

0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a

第#34项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【(Ljava/lang/String;)V】

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

访问标识与继承信息

21 表示该 class 是一个类，公共的

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

05 表示根据常量池中 #5 找到本类全限定名

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

06 表示根据常量池中 #6 找到父类全限定名

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

表示接口的数量，本类为 0

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

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.

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 flfloating-point value
F float single-precision flfloating-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

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

粗体代表访问修饰符（本类中是 public）

黄色代表引用了常量池 #07 项作为方法名称

绿色代表引用了常量池 #08 项作为方法参数描述

红色代表方法属性数量，本方法是 1

粗体代表方法属性：

  • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性
  • 00 00 00 2f 表示此属性的长度是 47
  • 00 01 表示【操作数栈】最大深度
  • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数
  • 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 5
    • 2a b7 00 01 b1 是字节码指令
  • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2
  • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性
    • 00 00 00 06 表示此属性的总长度，本例是 6
    • 00 01 表示【LineNumberTable】长度
    • 00 00 表示【字节码】行号
    • 00 04 表示【java 源码】行号
  • 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性
    • 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12
    • 00 01 表示【LocalVariableTable】长度
    • 00 00 表示局部变量生命周期开始，相对于字节码的偏移量
    • 00 05 表示局部变量覆盖的范围长度
    • 00 0c 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #12 项，是【this】
    • 00 0d 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #13 项，是【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】
    • 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

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

0000700 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

粗体代表访问修饰符（本类中是 public static）

黄色代表引用了常量池 #14 项作为方法名称

绿色代表引用了常量池 #15 项作为方法参数描述

红色代表方法属性数量，本方法是 2

粗体代表方法属性（属性1）：

  • 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性
  • 00 00 00 37 表示此属性的长度是 55
  • 00 02 表示【操作数栈】最大深度
  • 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数
  • 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 9
    • b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 是字节码指令
  • 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2
  • 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性
  • 00 00 00 0a 表示此属性的总长度，本例是 10
    • 00 02 表示【LineNumberTable】长度
    • 00 00 表示【字节码】行号
    • 00 06 表示【java 源码】行号
    • 00 08 表示【字节码】行号
    • 00 07 表示【java 源码】行号
  • 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性
  • 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12
    • 00 01 表示【LocalVariableTable】长度
    • 00 00 表示局部变量生命周期开始，相对于字节码的偏移量
    • 00 09 表示局部变量覆盖的范围长度
    • 00 10 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #16 项，是【args】
    • 00 11 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #17 项，是【[Ljava/lang/String;】
    • 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09

0001000 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

粗体代表方法属性（属性2）：

  • 00 12 表示引用了常量池 #18 项，发现是【MethodParameters】属性
  • 00 00 00 05 表示此属性的总长度，本例是 5
    • 01 参数数量
    • 00 10 表示引用了常量池 #16 项，是【args】
    • 00 00 访问修饰符

0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00

0001120 00 00 02 00 14

附加属性

  • 00 01 表示附加属性数量
  • 00 13 表示引用了常量池 #19 项，即【SourceFile】
  • 00 00 00 02 表示此属性的长度
    • 00 14 表示引用了常量池 #20 项，即【HelloWorld.java】

0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00

0001120 00 00 02 00 14

字节码指令

研究一下两组字节码指令，一个是构造方法的字节码指令：

2a b7 00 01 b1

  • 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
  • b7：invokespecial 预备调用构造方法，哪个方法呢？
    • 00 01：引用常量池中 #1 项，即【 Method java/lang/Object."":()V 】
  • b1：表示返回

主方法的字节码指令

b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1

  • b2：getstatic 用来加载静态变量，哪个静态变量呢？(System.out)
    • 00 02：引用常量池中 #2 项，即【Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;】
  • 12：ldc 加载参数，哪个参数呢？（字符串常量 HelloWorld）
    • 03：引用常量池中 #3 项，即 【String hello world】
  • b6：invokevirtual 预备调用成员方法，哪个方法呢？
    • 00 04：引用常量池中 #4 项，即【Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V】
  • b1：表示返回

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

javap -v [class文件] ：-v 打印出类的信息

java 复制代码 
Classfile /C:/Users/long/Desktop/HelloWorld.class
  Last modified 2023-5-23; size 426 bytes
  MD5 checksum 4efac412ef483c8a3fe7489c87d15c8c
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52                       // 52是JDK8
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         // java/lang/Object."<init>":()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            // HelloWorld
   #6 = Class              #22            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               HelloWorld.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()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               HelloWorld
  #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 HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: 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 1: 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 3: 0
        line 4: 8
}
SourceFile: "HelloWorld.java"

图解方法执行流程

原始Java代码
java 复制代码 
package cn.itcast.jvm.t3.bytecode;
/**
* 演示 字节码指令 和 操作数栈、常量池的关系
*/
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);
    }
}
编译后的字节码
java 复制代码 
Classfile /C:/Users/zq300/Desktop/Demo3_1.class
  Last modified 2023-5-23; size 458 bytes
  MD5 checksum c348d73829d4e1d222149a658eb88331
  Compiled from "Demo3_1.java"
public class cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #7.#16         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #17            // java/lang/Short
   #3 = Integer            32768
   #4 = Fieldref           #18.#19        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #5 = Methodref          #20.#21        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #6 = Class              #22            // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
   #7 = Class              #23            // java/lang/Object
   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               Code
  #11 = Utf8               LineNumberTable
  #12 = Utf8               main
  #13 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #14 = Utf8               SourceFile
  #15 = Utf8               Demo3_1.java
  #16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V
  #17 = Utf8               java/lang/Short
  #18 = Class              #24            // java/lang/System
  #19 = NameAndType        #25:#26        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #20 = Class              #27            // java/io/PrintStream
  #21 = NameAndType        #28:#29        // println:(I)V
  #22 = Utf8               cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
  #23 = Utf8               java/lang/Object
  #24 = Utf8               java/lang/System
  #25 = Utf8               out
  #26 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #27 = Utf8               java/io/PrintStream
  #28 = Utf8               println
  #29 = Utf8               (I)V
{
  public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1();
    descriptor: ()V
    flags: 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 6: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: ldc           #3                  // int 32768
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 3
        line 10: 6
        line 11: 10
        line 12: 17
}
SourceFile: "Demo3_1.java"
常量池载入运行时常量池
方法字节码载入方法区
main线程开始运行，分配栈帧内存

（stack=2，locals=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
istore_1

将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1

ldc #3

从常量池加载 #3 数据到操作数栈

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
iload_1
iload_2
iadd
istore_3
getstatic #4
iload_3
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

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

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

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

源码：

java 复制代码 
public class Demo3_3 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        if(a == 0) {
            a = 10;
        } else {
            a = 20;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
0: iconst_0            // -1~5之间的数，用iconst表示，放入操作数栈
1: istore_1            // 存入a变量
2: iload_1             // 将a变量从局部变量表中加载进来，放入操作数栈
3: ifne         12     // 判断操作数栈中的数是不是不等于0，如果不等于0，跳到第12行
6: bipush       10     // 没有跳到第12行的话，给操作数栈存入10
8: istore_1            // 将操作数栈中的10赋值给a
9: goto         15     // 跳转到第15行
12: bipush      20     // 给操作数栈存入20
14: istore_1           // 将操作数栈中的20赋值给a
15: return             // 没有后续代码了，返回

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：

java 复制代码 
public class Demo3_4 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        while (a < 10) {
            a++;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
0: iconst_0            // 操作数栈存入0
1: istore_1            // 把0赋值a
2: iload_1             // 把a的值加载到操作数栈
3: bipush     10       // 把10放到操作数栈中
5: if_icmpge  14       // 将0和10比较，if_icmpge，0 >= 10 ？ 如果条件成立，跳到第14行
8: iinc       1, 1     // 不成立则自增1
11: goto      2        // 跳转到第二行，开始新的一轮比较
14: return             // 返回

练习：

Java源码：

java 复制代码 
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
	}
}

字节码：

java 复制代码 
 0: iconst_0
 1: istore_1
 2: iconst_0
 3: istore_2
 4: iload_1
 5: bipush        10
 7: if_icmpge     21
10: iload_2
11: iinc          2, 1
14: istore_2
15: iinc          1, 1
18: goto          4
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
  1. 先将x的值放入操作数栈中
  2. ++操作是在局部变量表中执行的，所以 x = 1
  3. 再将操作数栈中的值赋给x

构造方法

<cinit>()V
java 复制代码 
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 <cinit>()V：

java 复制代码 
 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

<cinit>()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用。

<init>()V
java 复制代码 
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。

java 复制代码 
 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: putfi             #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

方法调用

Java源码：

java 复制代码 
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();
    }
}

字节码：

java 复制代码 
 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     (私有方法是静态绑定，效率比动态绑定高)
16: aload_1
17: invokevirtual     #6     // Method test3:()V     (公有方法可能会被重写，需要动态绑定)
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(把new出来对象的引用 复制一份)，一个配合 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

多态的原理

Java源码：

java 复制代码 
package cn.itcast.jvm.t3.bytecode;
import java.io.IOException;
/**
* 演示多态原理，注意加上下面的 JVM 参数，禁用指针压缩
* -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers
*/
public class Demo3_10 {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.eat();
        System.out.println(animal.toString());
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {
        test(new Cat());
        test(new Dog());
        System.in.read();
    }
}

abstract class Animal {

    public abstract void eat();

    @Override
    public String toString() {
        return "我是" + this.getClass().getSimpleName();
    }
}

class Dog extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("啃骨头");
    }
}

class Cat extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
        System.out.println("吃鱼");
    }
}
  1. 运行代码：停在 System.in.read() 方法上，这时运行 jps 获取进程 id
  2. 运行 HSDB 工具：进入 JDK 安装目录，执行 java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB ，进入图形界面 attach 进程 id
  3. 查找某个对象：打开 Tools -> Find Object By Query，输入 select d from cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Dog d 点击 Execute 执行
  1. 查看对象内存结构：点击超链接可以看到对象的内存结构，此对象没有任何属性，因此只有对象头的 16 字节，前 8 字节是 MarkWord，后 8 字节就是对象的 Class 指针，但目前看不到它的实际地址
  1. 查看对象 Class 的内存地址：可以通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行
bash 复制代码 
mem 0x00000001d3f43368 2

mem 有两个参数，参数 1 是对象地址，参数 2 是查看 2 行（即 16 字节）

结果中第二行 0x00000000262d4508 即为 Class 的内存地址

  1. 查看类的 vtable

    • 方法1：Alt+R 进入 Inspector 工具，输入刚才的 Class 内存地址，看到如下界面

    • 方法2：或者 Tools -> Class Browser 输入 Dog 查找，可以得到相同的结果

无论通过哪种方法，都可以找到 Dog Class 的 vtable 长度为 6，意思就是 Dog 类有 6 个虚方法（多态相关的，final，static 不会列入）

那么这 6 个方法都是谁呢？从 Class 的起始地址开始算，偏移 0x1b8 就是 vtable 的起始地址，进行计算得到（内存地址尾数相加）：

通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行：

bash 复制代码 
mem 0x00000000262d46C0 6

就得到了 6 个虚方法的入口地址

  1. 验证方法地址：通过 Tools -> Class Browser 查看每个类的方法定义，比较可知

对号入座，发现

  • eat() 方法是 Dog 类自己的
  • toString() 方法是继承 Animal 类的
  • finalize() ，equals()，hashCode()，clone() 都是继承 Object 类的

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

异常处理

try-catch

Java源码：

java 复制代码 
public class Demo3_11_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (Exception e) {
            i = 20;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    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
        Exception table:
              from   to    target   type
                2     5      8     Class     java/lang/Exception
        LineNumberTable: ...
        LocalVariableTable:
            Start   Length  Slot  Name       Signature
                9     3      2     e         Ljava/lang/Exception;
                0     13     0     args      [Ljava/lang/String;
                2     11     1     i         I
        StackMapTable: ...
    MethodParameters: ...
}
  • 可以看到多出来一个 Exception table 的结构，[from, to) 是前闭后开的检测范围，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 slot 2 位置
多个 single-catch 块的情况

Java源码：

java 复制代码 
public class Demo3_11_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (ArithmeticException e) {
            i = 30;
        } catch (NullPointerException e) {
            i = 40;
        } catch (Exception e) {
            i = 50;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=1, locals=3, args_size=1
            0: iconst_0
            1: istore_1
            2: bipush     10
            4: istore_1
            5: goto       26
            8: astore_2
            9: bipush 30
            11: istore_1
            12: goto      26
            15: astore_2
            16: bipush    40
            18: istore_1
            19: goto      26
            22: astore_2
            23: bipush    50
            25: istore_1
            26: return
        Exception table:
              from   to   target type
                2     5     8     Class     java/lang/ArithmeticException
                2     5     15    Class     java/lang/NullPointerException
                2     5     22    Class     java/lang/Exception
        LineNumberTable: ...
        LocalVariableTable:
            Start   Length Slot Name     Signature
                9     3     2     e     Ljava/lang/ArithmeticException;
                16    3     2     e     Ljava/lang/NullPointerException;
                23    3     2     e     Ljava/lang/Exception;
                0     27    0     args  [Ljava/lang/String;
                2     25    1     i     I
        StackMapTable: ...
    MethodParameters: ...

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

Java源码：

java 复制代码 
public class Demo3_11_3 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Method test = Demo3_11_3.class.getMethod("test");
            test.invoke(null);
        } catch (NoSuchMethodException | IllegalAccessException |
                InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public static void test() {
        System.out.println("ok");
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=3, locals=2, args_size=1
            0: ldc               #2
            2: ldc               #3
            4: iconst_0
            5: anewarray         #4
            8: invokevirtual     #5
            11: astore_1
            12: aload_1
            13: aconst_null
            14: iconst_0
            15: anewarray         #6
            18: invokevirtual     #7
            21: pop
            22: goto 30
            25: astore_1
            26: aload_1
            27: invokevirtual     #11 // e.printStackTrace:()V
            30: return
        Exception table:
            from     to     target     type
            0        22     25         Class java/lang/NoSuchMethodException
            0        22     25         Class java/lang/IllegalAccessException
            0        22     25         Class java/lang/reflect/InvocationTargetException
        LineNumberTable: ...
        LocalVariableTable:
            Start     Length     Slot     Name     Signature
            12        10         1        test     Ljava/lang/reflect/Method;
            26        4          1        e        Ljava/lang/ReflectiveOperationException;
            0         31         0        args     [Ljava/lang/String;
        StackMapTable: ...
    MethodParameters: ...
finally

Java源码：

java 复制代码 
public class Demo3_11_4 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (Exception e) {
            i = 20;
        } finally {
            i = 30;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=1, locals=4, args_size=1
            0: iconst_0
            1: istore_1             // 0 -> i
            2: bipush       10      // try ------------------------
            4: istore_1             // 10 -> i                    |
            5: bipush       30      // finally                    |
            7: istore_1             // 30 -> i                    |
            8: goto 27              // return ---------------------
            11: astore_2            // catch Exceptin -> e ---------
            12: bipush      20      //                             |
            14: istore_1            // 20 -> i                     |
            15: bipush      30      // finally                     |
            17: istore_1            // 30 -> i                     |
            18: goto        27      // return ----------------------
            21: astore_3            // catch any -> slot 3 ---------
            22: bipush      30       // finally                    |
            24: istore_1            // 30 -> i                     |
            25: aload_3             // <- slot 3                   |
            26: athrow              // throw -----------------------
            27: return
        Exception table:
            from     to     target     type
            2        5      11         Class java/lang/Exception
            2        5      21         any     // 剩余的异常类型，比如 Error
            11       15     21         any     // 剩余的异常类型，比如 Error
        LineNumberTable: ...
        LocalVariableTable:
            Start     Length     Slot      Name     Signature
            12        3          2         e        Ljava/lang/Exception;
            0         28         0         args     [Ljava/lang/String;
            2         26         1         i I
        StackMapTable: ...
    MethodParameters: ...

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

finally 出现了 return

Java源码：

java 复制代码 
public class Demo3_12_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }
    public static int test() {
        try {
            return 10;
        } finally {
            return 20;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static int test();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=1, locals=2, args_size=0
        0: bipush     10     // <- 10 放入栈顶
        2: istore_0          // 10 -> slot 0 (从栈顶移除了)
        3: bipush     20     // <- 20 放入栈顶
        5: ireturn           // 返回栈顶 int(20)
        6: astore_1          // catch any -> slot 1
        7: bipush     20     // <- 20 放入栈顶
        9: ireturn           // 返回栈顶 int(20)
    Exception table:
        from     to     target     type
        0        3      6          any
    LineNumberTable: ...
    StackMapTable: ...
  • 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，看下面一节
  • 跟上例中的 finally 相比，发现没有 athrow 了，如果在 finally 中出现了 return，会吞掉异常

下面这段代码不会报错：

java 复制代码 
public class Demo3_12_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }
    public static int test() {
        try {
            int i = 1/0;
            return 10;
        } finally {
            return 20;
        }
    }
}
finally 对返回值影响

Java源码：

java 复制代码 
public class Demo3_12_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }
    public static int test() {
        int i = 10;
        try {
            return i;
        } finally {
            i = 20;
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static int test();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=1, locals=3, args_size=0
        0: bipush     10     // <- 10 放入栈顶
        2: istore_0          // 10 -> i
        3: iload_0           // <- i(10)
        4: istore_1          // 10 -> slot 1，暂存至 slot 1，目的是为了固定返回值
        5: bipush     20     // <- 20 放入栈顶
        7: istore_0          // 20 -> i
        8: iload_1           // <- slot 1(10) 载入 slot 1 暂存的值
        9: ireturn           // 返回栈顶的 int(10)
        10: astore_2
        11: bipush     20
        13: istore_0
        14: aload_2
        15: athrow
    Exception table:
        from     to     target     type
        3        5      10         any
    LineNumberTable: ...
    LocalVariableTable:
        Start     Length     Slot     Name     Signature
        3         13         0        i        I
    StackMapTable: ...

synchronized

Java代码：

java 复制代码 
public class Demo3_13 {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }
}

字节码：

java 复制代码 
public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
        stack=2, locals=4, args_size=1
        0: new               #2     // new Object
        3: dup
        4: invokespecial     #1     // invokespecial <init>:()V
        7: astore_1                 // lock引用 -> lock
        8: aload_1                  // <- lock （synchronized开始）
        9: dup
        10: astore_2                // lock引用 -> slot 2
        11: monitorenter            // monitorenter(lock引用)
        12: getstatic        #3     // <- System.out
        15: ldc              #4     // <- "ok"
        17: invokevirtual    #5     // invokevirtual println:(Ljava/lang/String;)V
        20: aload_2                 // <- slot 2(lock引用)
        21: monitorexit             // monitorexit(lock引用)
        22: goto             30
        25: astore_3                // any -> slot 3
        26: aload_2                 // <- slot 2(lock引用)
        27: monitorexit             // monitorexit(lock引用)
        28: aload_3
        29: athrow
        30: return
    Exception table:
        from     to     target     type
        12       22     25         any
        25       28     25         any
    LineNumberTable: ...
    LocalVariableTable:
        Start     Length     Slot     Name     Signature
        0         31         0        args     [Ljava/lang/String;
        8         23         1        lock     Ljava/lang/Object;
    StackMapTable: ...
    MethodParameters: ...

方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

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（给糖吃嘛）

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。

默认构造器

Java源码：

java 复制代码 
public class Candy1 {
}

字节码：

java 复制代码 
public class Candy1 {
    // 这个无参构造是编译器帮助我们加上的
    public Candy1() {
        super(); // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object."<init>":()V
    }
}

自动拆装箱

这个特性是 JDK 5 开始加入的， 代码片段1 ：

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

这段代码在 JDK 5 之前是无法编译通过的，必须改写为 代码片段2：

java 复制代码 
public class Candy2 {
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(1);
        int y = x.intValue();
    }
}

显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是包装类型），因此这些转换的事情在 JDK 5 以后都由编译器在编译阶段完成。即 代码片段1 都会在编译阶段被转换为 代码片段2

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：

java 复制代码 
public class Candy3 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> 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);
    }
}

所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

java 复制代码 
// 需要将 Object 转为 Integer
Integer x = (Integer)list.get(0);

如果前面的 x 变量类型修改为 int 基本类型那么最终生成的字节码是：

java 复制代码 
// 需要将 Object 转为 Integer, 并执行拆箱操作
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

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：

java 复制代码 
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;
14: invokeinterface  #5, 2     // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
19: pop
20: aload_1
21: iconst_0
22: invokeinterface  #6, 2     // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
27: checkcast        #7        // class java/lang/Integer
30: astore_2
31: return

LocalVariableTypeTable:
Start     Length     Slot     Name     Signature
8         24         1        list     Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;

使用反射，仍然能够获得这些信息：

反射只能拿到方法的返回值、参数上的泛型信息

java 复制代码 
public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
}

通过反射获取上面代码的泛型信息：

java 复制代码 
Method test = Candy3.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
// 拿到方法所有的参数信息
Type[] types = test.getGenericParameterTypes();
for (Type type : types) {
    // 判断该菜蔬的类型是不是带有泛型的类型，是的话再操作
    if (type instanceof ParameterizedType) {
        // 转换为泛型的类型
        ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;
        System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());
        // 拿到泛型类型中的泛型列表，比如Map就有两个元素
        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]);
        }
    }
}

输出：

java 复制代码 
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

可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性：

例如：

java 复制代码 
public class Candy4 {
    public static void foo(String... args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }

    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：

java 复制代码 
public class Candy4 {
    public static void foo(String[] args) {
        String[] array = args; // 直接赋值
        System.out.println(array);
    }

    public static void main(String[] args) {
        foo(new String[]{"hello", "world"});
    }
}

如果调用了 foo() 则等价代码为 foo(new String[]{}) ，创建了一个空的数组，而不会传递 null 进去

foreach 循环

仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

java 复制代码 
public class Candy5_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5}; // 数组赋初值的简化写法也是语法糖哦
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

会被编译器转换为：

java 复制代码 
public class Candy5_1 {
    public Candy5_1() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
        for(int i = 0; i < array.length; ++i) {
            int e = array[i];
            System.out.println(e);
        }
    }
}

而集合的循环：

java 复制代码 
public class Candy5_2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
        for (Integer i : list) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}

实际被编译器转换为对迭代器的调用：

java 复制代码 
public class Candy5_2 {
    public Candy5_2() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        Iterator iter = list.iterator();
        while(iter.hasNext()) {
            Integer e = (Integer)iter.next();
            System.out.println(e);
        }
    }
}

foreach 循环写法，能够配合数组，以及所有实现了 Iterable 接口的集合类一起使用，其中 Iterable 用来获取集合的迭代器（ Iterator ）

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：

java 复制代码 
public class Candy6_1 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为null，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清楚，会被编译器转换为：

java 复制代码 
public class Candy6_1 {
    public Candy6_1() {
    }

    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch(str.hashCode()) {
            case 99162322: // hello 的 hashCode
                if (str.equals("hello")) {
                    x = 0;
                }
                break;
            case 113318802: // world 的 hashCode
                if (str.equals("world")) {
                x = 1;
            }
        }

        switch(x) {
            case 0:
                System.out.println("h");
                break;
            case 1:
                System.out.println("w");
        }
    }
}

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 ，如果有如下代码：

java 复制代码 
public class Candy6_2 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "BM": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "C.": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

会被编译器转换为：

java 复制代码 
public class Candy6_2 {
    public Candy6_2() {
    }

    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch(str.hashCode()) {
            case 2123: // hashCode 值可能相同，需要进一步用 equals 比较
                if (str.equals("C.")) {
                    x = 1;
                } else if (str.equals("BM")) {
                    x = 0;
                }
            default:
                switch(x) {
                    case 0:
                        System.out.println("h");
                        break;
                    case 1:
                        System.out.println("w");
                }
        }
    }
}

switch 枚举

switch 枚举的例子，原始代码：

java 复制代码 
enum Sex {
    MALE, FEMALE
}

public class Candy7 {
    public static void foo(Sex sex) {
        switch (sex) {
            case MALE:
                System.out.println("男"); break;
            case FEMALE:
                System.out.println("女"); break;
        }
    }
}

转换后代码：

java 复制代码 
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，里面存储case用来对比的数字
        static int[] map = new int[2];
        static {
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;
        }
    }

    public static void foo(Sex sex) {
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1:
                System.out.println("男");
                break;
            case 2:
                System.out.println("女");
                break;
        }
    }
}

枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

java 复制代码 
enum Sex {
    MALE, FEMALE
}

转换后代码：

java 复制代码 
public final class Sex extends Enum<Sex> {
    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE;
    private static final Sex[] $VALUES;

    static {
        MALE = new Sex("MALE", 0);
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    }

    /**
    * Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
    * It is for use by code emitted by the compiler in response to
    * enum type declarations.
    *
    * @param name - The name of this enum constant, which is the identifier
    * used to declare it.
    * @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position
    * in the enum declaration, where the initial constant is assigned
    */
    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);
    }
}

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：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
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）：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
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)

如以上代码所示，两个异常信息都不会丢。

方法重写时的桥接方法

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）
java 复制代码 
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：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) {
    System.out.println(m);
}

会输出：

java 复制代码 
public java.lang.Integer test.candy.B.m()
public java.lang.Number test.candy.B.m()

匿名内部类

源代码：

java 复制代码 
public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}

转换后代码：

java 复制代码 
// 额外生成的类
final class Candy11$1 implements Runnable {
    Candy11$1() {
    }

    public void run() {
        System.out.println("ok");
    }
}

public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Candy11$1();
    }
}

引用局部变量的匿名内部类，源代码：

java 复制代码 
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：

java 复制代码 
// 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);
    }
}

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$1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy111 对象的 valx 属性，所以 x 不应该再发生变化了，如果变化，那么 val$x 属性没有机会再跟着一起变化。

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