JVM学习笔记（四）类加载与字节码技术

蓝云飘飘23662024-04-28 17:56

目录

一、类文件结构

二、字节码指令

[2.3 图解方法执行流程](#2.3 图解方法执行流程)

[1）原始 java 代码](#1）原始 java 代码)

2）编译后的字节码文件

3）常量池载入运行时常量池

4）方法字节码载入方法区

[5）main 线程开始运行，分配栈帧内存](#5）main 线程开始运行，分配栈帧内存)

6）执行引擎开始执行字节码★★★

[2.4 练习 - 分析 i++](#2.4 练习 - 分析 i++)

[2.5 条件判断指令](#2.5 条件判断指令)

[2.6 循环控制指令](#2.6 循环控制指令)

[2.7 练习 - 判断结果](#2.7 练习 - 判断结果)

[2.8 构造方法★★★](#2.8 构造方法★★★)

[1） ()V 类构造方法](#1） ()V 类构造方法)

[2） ()V 实例构造方法](#2） ()V 实例构造方法)

[2.9 方法调用](#2.9 方法调用)

[2.10 多态的原理](#2.10 多态的原理)

多态原理小结★★★

[2.11 异常处理](#2.11 异常处理)

1）​​​​​​​try-catch

2）多个single-catch块的情况

[3）multi-catch 的情况](#3）multi-catch 的情况)

4）finally

[5）finally 面试题一](#5）finally 面试题一)

[5）finally 面试题二](#5）finally 面试题二)

[2.12 synchronized](#2.12 synchronized)

三、编译期处理

[1. 自动生成无参构造方法](#1. 自动生成无参构造方法)

[2. 自动拆装箱的转换](#2. 自动拆装箱的转换)

[3. 泛型集合取值](#3. 泛型集合取值)

[4. 可变参数](#4. 可变参数)

[5. foreach 循环](#5. foreach 循环)

[6. switch 字符串](#6. switch 字符串)

[7. switch 枚举](#7. switch 枚举)

[8. 枚举](#8. 枚举)

[9. try-with-resources](#9. try-with-resources)

[10. 方法重写时的桥接方法](#10. 方法重写时的桥接方法)

[11. 匿名内部类](#11. 匿名内部类)

四、类加载阶段

[4.1 加载](#4.1 加载)

[4.2 链接](#4.2 链接)

2）准备★★★

[4.3 初始化](#4.3 初始化)

练习一：

[练习二：典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式](#练习二：典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式)

五、类加载器

[5.1 双亲委派机制](#5.1 双亲委派机制)

[5.2 线程上下文类加载器](#5.2 线程上下文类加载器)

[5.3 自定义类加载器](#5.3 自定义类加载器)

六、运行期优化

[6.1 即时编译](#6.1 即时编译)

[6.2 反射优化](#6.2 反射优化)

这篇文章很不错，尤其是讲到类加载阶段那一块的时候：（没有本人这篇博文好，哈哈）

认识 .class 文件的字节码结构-CSDN博客

一、类文件结构

根据 JVM 规范，类文件结构如下

ClassFile {

u4 magic; 魔数

u2 minor_version; 次版本

u2 major_version; 主版本

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];

}

二、字节码指令

反编译命令：javap -v Xxx.class

2.3 图解方法执行流程

1）原始 java 代码

java 复制代码 
package org.wuya.test;

/**
 * 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);
    }
}

2）编译后的字节码文件

Classfile /D:/JavaTools/springbootRedisDemo/springbootRedisDemo/target/classes/org/wuya/test/Demo3_1.class

Last modified 2024-4-21; size 641 bytes

MD5 checksum 87a2a6a3e3f7d22289041a5d50f4c0dd

Compiled from "Demo3_1.java"

public class org.wuya.test.Demo3_1

minor version: 0

major version: 52

flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

Constant pool:

#1 = Methodref #7.#26 // java/lang/Object."<init>":()V

#2 = Class #27 // java/lang/Short

#3 = Integer 32768

#4 = Fieldref #28.#29 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

#5 = Methodref #30.#31 // java/io/PrintStream.println:(I)V

#6 = Class #32 // org/wuya/test/Demo3_1

#7 = Class #33 // java/lang/Object

#8 = Utf8 <init>

#9 = Utf8 ()V

#10 = Utf8 Code

#11 = Utf8 LineNumberTable

#12 = Utf8 LocalVariableTable

#13 = Utf8 this

#14 = Utf8 Lorg/wuya/test/Demo3_1;

#15 = Utf8 main

#16 = Utf8 ([Ljava/lang/String;)V

#17 = Utf8 args

#18 = Utf8 [Ljava/lang/String;

#19 = Utf8 a

#20 = Utf8 I

#21 = Utf8 b

#22 = Utf8 c

#23 = Utf8 MethodParameters

#24 = Utf8 SourceFile

#25 = Utf8 Demo3_1.java

#26 = NameAndType #8:#9 // "<init>":()V

#27 = Utf8 java/lang/Short

#28 = Class #34 // java/lang/System

#29 = NameAndType #35:#36 // out:Ljava/io/PrintStream;

#30 = Class #37 // java/io/PrintStream

#31 = NameAndType #38:#39 // println:(I)V

#32 = Utf8 org/wuya/test/Demo3_1

#33 = Utf8 java/lang/Object

#34 = Utf8 java/lang/System

#35 = Utf8 out

#36 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;

#37 = Utf8 java/io/PrintStream

#38 = Utf8 println

#39 = Utf8 (I)V

{

public org.wuya.test.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

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 5 0 this Lorg/wuya/test/Demo3_1;

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

LocalVariableTable:

Start Length Slot Name Signature

0 18 0 args [Ljava/lang/String;

3 15 1 a I

6 12 2 b I

10 8 3 c I

MethodParameters:

Name Flags

args

}

SourceFile: "Demo3_1.java"

3）常量池载入运行时常量池

4）方法字节码载入方法区

5）main 线程开始运行，分配栈帧内存

（stack=2，locals=4）

6）执行引擎开始执行字节码★★★

bipush 10

istore_1

ldc #3 // int 32768

istore_2

iload_1

iload_2

iadd

istore_3

getstatic #4 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

iload_3

invokevirtual #5 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V

return
说明：具体每一步的图片看讲义。非常明晰。

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。

  • bipush 10 将一个 byte 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节）
  • istore_1 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1，结果就是a被赋值为10 【可见，bipush 10和istore_1就对应java源代码中的int a = 10;操作】

（接下来就是对b变量赋值：由于b变量对应的值是32768，已经超过了short的范围了，所以它存储的位置是运行时常量池中）

  • ldc 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）
  • istore_2 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的slot 2，结果就是b被赋值为32767

(接下来该执行a+b赋值给c了。局部变量表中不能执行a+b这个操作，它一定是在操作数栈中完成，所以执行引擎要对a、b这两个变量进行读取)

  • iload_1 把局部变量1槽位的值读入操作数栈上
  • iload_2 把局部变量2槽位的值读入操作数栈上
  • iadd 相加，把结果存入操作数栈
  • istore_3 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的slot 3
  • getstatic 从常量池#4找成员变量（System类的out成员变量）的引用，把堆中System.out 对象的引用值放入操作数栈

（接下来该进行打印，打印的话，需要一些参数）

  • iload_3 把局部变量2槽位的值32768读入操作数栈上
  • invokevirtual 分析见下面
  • return 完成main方法调用，弹出main栈帧，程序结束

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

2.4 练习 - 分析 i++

1）源码如下：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

/**
 * 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);
    }
}

2）编译后的字节码文件：

重点看下面这段

{

public static void main(java.lang.String[]);

descriptor: ([Ljava/lang/String;)V

flags: 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 表示对1号槽位自增，自增1

7: iinc 1, 1

10: iload_1

11: iadd 表示将操作数栈中的两个数(10+12)进行了相加，把结果22保存在了操作数栈

12: iload_1 执行a--操作，将局部变量表中slot 1的值12先读入操作数栈，再自减

13: iinc 1, -1

16: iadd 将22+12的结果34保存在操作数栈

17: istore_2 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的slot 2，即将34赋值给了b

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

MethodParameters:

Name Flags

args

}

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

a++ 是先iload再自增(iinc)，++a 是先自增(iinc)再iload。

具体分析见上面。图解见讲义。

2.5 条件判断指令

讲义有一张指令代表的含义，略。

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
  • 比较小的整数（从-1到5）是用iconst来表示的。

源码：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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

关键的字节码：

0: iconst_0

1: istore_1

2: iload_1

3: ifne 12 ifne是判断是否 != 0，如果不等于0的话就跳到12行，否则顺序执行

6: bipush 10

8: istore_1

9: goto 15 goto表示跳到15行执行

12: bipush 20

14: istore_1

15: return

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，do while 循环，字节码略。

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



public class Demo3_5 {
   public static void main(String[] args) {
       int a = 0;
       do {
           a++;
      } while (a < 10);
  }
}

再看看 for 循环，比较 while 和 for 的字节码，你发现它们是一模一样的。

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：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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
    }
}

关键字节码：

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 关键是这个赋值操作，将操作数栈中的0又赋值给了x

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

2.8 构造方法★★★

1） <cinit>()V 类构造方法

源码：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

public class Demo3_8_1 {

    static {
        i = 20;
    }


    static {
        i = 30;
    }

    static int i = 10;

}

反编译后的字节码：

Classfile /D:/JavaTools/.../src/main/java/org/wuya/test/Demo3_8_1.class

Last modified 2024-4-21; size 305 bytes

MD5 checksum 88505d650a05ea6c2869fd5eae46f394

Compiled from "Demo3_8_1.java"

public class org.wuya.test.Demo3_8_1

minor version: 0

major version: 52

flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER

Constant pool:

#1 = Methodref #4.#14 // java/lang/Object."<init>":()V

#2 = Fieldref #3.#15 // org/wuya/test/Demo3_8_1.i:I

#3 = Class #16 // org/wuya/test/Demo3_8_1

#4 = Class #17 // java/lang/Object

#5 = Utf8 i

#6 = Utf8 I

#7 = Utf8 <init>

#8 = Utf8 ()V

#9 = Utf8 Code

#10 = Utf8 LineNumberTable

#11 = Utf8 <clinit>

#12 = Utf8 SourceFile

#13 = Utf8 Demo3_8_1.java

#14 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V

#15 = NameAndType #5:#6 // i:I

#16 = Utf8 org/wuya/test/Demo3_8_1

#17 = Utf8 java/lang/Object

{

static int i;

2: putstatic #2 // Field i:I

5: bipush 30

7: putstatic #2 // Field i:I

10: bipush 10

12: putstatic #2 // Field i:I

15: return

LineNumberTable:

line 6: 0

line 11: 5

line 14: 10

}

SourceFile: "Demo3_8_1.java"

编译器会按（源码中）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 ：

static int i;

2: putstatic #2 // Field i:I

5: bipush 30

7: putstatic #2 // Field i:I

10: bipush 10

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。

2） <init>()V 实例构造方法

源码：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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);
    }
}

下面是反编译后的字节码：

java 复制代码 
PS D:\JavaTools\...\target\classes\org\wuya\test> javap -v .\Demo3_8_2.class
Classfile /D:/JavaTools/.../target/classes/org/wuya/test/Demo3_8_2.class
  Last modified 2024-4-21; size 859 bytes                                                
  MD5 checksum 987873efec13bf5b024a1af1a2d71201                                          
  Compiled from "Demo3_8_2.java"                                                         
public class org.wuya.test.Demo3_8_2                                                     
  minor version: 0                                                                       
  major version: 52                                                                      
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER                                                           
Constant pool:                                                                           
   #1 = Methodref          #12.#32        // java/lang/Object."<init>":()V               
   #2 = String             #33            // s1                                          
   #3 = Fieldref           #6.#34         // org/wuya/test/Demo3_8_2.a:Ljava/lang/String;
   #4 = Fieldref           #6.#35         // org/wuya/test/Demo3_8_2.b:I                 
   #5 = String             #36            // s2                                          
   #6 = Class              #37            // org/wuya/test/Demo3_8_2                     
   #7 = String             #38            // s3                                          
   #8 = Methodref          #6.#39         // org/wuya/test/Demo3_8_2."<init>":(Ljava/lang/String;I)V
   #9 = Fieldref           #40.#41        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #10 = Methodref          #42.#43        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
  #11 = Methodref          #42.#44        // java/io/PrintStream.println:(I)V
  #12 = Class              #45            // java/lang/Object
  #13 = Utf8               a
  #14 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #15 = Utf8               b
  #16 = Utf8               I
  #17 = Utf8               <init>
  #18 = Utf8               (Ljava/lang/String;I)V
  #19 = Utf8               Code
  #20 = Utf8               LineNumberTable
  #21 = Utf8               LocalVariableTable
  #22 = Utf8               this
  #23 = Utf8               Lorg/wuya/test/Demo3_8_2;
  #24 = Utf8               MethodParameters
  #25 = Utf8               main
  #26 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #27 = Utf8               args
  #28 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #29 = Utf8               d
  #30 = Utf8               SourceFile
  #31 = Utf8               Demo3_8_2.java
  #32 = NameAndType        #17:#46        // "<init>":()V
  #33 = Utf8               s1
  #34 = NameAndType        #13:#14        // a:Ljava/lang/String;
  #35 = NameAndType        #15:#16        // b:I
  #36 = Utf8               s2
  #37 = Utf8               org/wuya/test/Demo3_8_2
  #38 = Utf8               s3
  #39 = NameAndType        #17:#18        // "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
  #40 = Class              #47            // java/lang/System
  #41 = NameAndType        #48:#49        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #42 = Class              #50            // java/io/PrintStream
  #43 = NameAndType        #51:#52        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #44 = NameAndType        #51:#53        // println:(I)V
  #45 = Utf8               java/lang/Object
  #46 = Utf8               ()V
  #47 = Utf8               java/lang/System
  #48 = Utf8               out
  #49 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #50 = Utf8               java/io/PrintStream
  #51 = Utf8               println
  #52 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
  #53 = Utf8               (I)V
{
  public org.wuya.test.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                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: ldc           #2                  // String s1
         7: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
        10: aload_0
        11: bipush        20
        13: putfield      #4                  // Field b:I
        16: aload_0
        17: bipush        10
        19: putfield      #4                  // Field b:I
        22: aload_0
        23: ldc           #5                  // String s2
        25: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
        28: aload_0
        29: aload_1
        30: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
        33: aload_0
        34: iload_2
        35: putfield      #4                  // Field b:I
        38: return
      LineNumberTable:
        line 18: 0
        line 6: 4
        line 9: 10
        line 12: 16
        line 15: 22
        line 19: 28
        line 20: 33
        line 21: 38
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      39     0  this   Lorg/wuya/test/Demo3_8_2;
            0      39     1     a   Ljava/lang/String;
            0      39     2     b   I
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      a
      b

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=4, locals=2, args_size=1
         0: new           #6                  // class org/wuya/test/Demo3_8_2
         3: dup
         4: ldc           #7                  // String s3
         6: bipush        30
         8: invokespecial #8                  // Method "<init>":(Ljava/lang/String;I)V
        11: astore_1
        12: getstatic     #9                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        15: aload_1
        16: getfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
        19: invokevirtual #10                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        22: getstatic     #9                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        25: aload_1
        26: getfield      #4                  // Field b:I
        29: invokevirtual #11                 // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        32: return
      LineNumberTable:
        line 24: 0
        line 25: 12
        line 26: 22
        line 27: 32
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      33     0  args   [Ljava/lang/String;
           12      21     1     d   Lorg/wuya/test/Demo3_8_2;
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args
}
SourceFile: "Demo3_8_2.java"

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。

【从字节码可以看出来，新的构造方法是Demo3_8_2(java.lang.String, int)】

在这个构造方法中，aload_0 表示把this加载到操作数栈；

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
1）如果源代码是这样的：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

public class Demo3_9 {
    public Demo3_9() { }

    private void test1() { }

    private final void test2() { }

    public void test3() { }

    public static void test4() { }

}

则javac命令编译后，再执行javap反编译后，方法表集合的字节码是这样的：

java 复制代码 
{
  public org.wuya.test.Demo3_9();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC

  public static void test4();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=0, locals=0, args_size=0
         0: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
}

可以看到在类加载阶段，只加载了构造方法和static方法。

2）如果源代码是这样的：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

public class Demo3_9 {
    public Demo3_9() { } //构造方法

    private void test1() { } //私有方法

    private final void test2() { }  //final方法

    public void test3() { } //public方法

    public static void test4() { } //静态方法

    @Override
    public String toString() {
        return super.toString();
    }

    public static void main(String[] args) {
        Demo3_9 d = new Demo3_9();
        d.test1();
        d.test2();
        d.test3();
        d.test4();//通过对象调用的静态方法
        Demo3_9.test4();//通过类名调用的静态方法
        d.toString();
    }

}

则javac命令编译后，再执行javap反编译后，方法表集合的字节码是这样的：

java 复制代码 
{
  public org.wuya.test.Demo3_9();
    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 4: 0

  public void test3();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 10: 0

  public static void test4();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=0, locals=0, args_size=0
         0: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0

  public java.lang.String toString();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #2                  // Method java/lang/Object.toString:()Ljava/lang/String;
         4: areturn
      LineNumberTable:
        line 16: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #3                  // class org/wuya/test/Demo3_9
         3: dup
         4: invokespecial #4                  // Method "<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokespecial #5                  // Method test1:()V
        12: aload_1
        13: invokespecial #6                  // Method test2:()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #7                  // Method test3:()V
        20: aload_1
        21: pop
        22: invokestatic  #8                  // Method test4:()V
        25: invokestatic  #8                  // Method test4:()V
        28: aload_1
        29: invokevirtual #9                  // Method toString:()Ljava/lang/String;
        32: pop
        33: return
      LineNumberTable:
        line 20: 0
        line 21: 8
        line 22: 12
        line 23: 16
        line 24: 20
        line 25: 25
        line 26: 28
        line 27: 33
}

final的方法，不管修饰符是private，还是public，还是什么，对应的字节码指令是一样的。

可以看到：

  • 构造方法、final方法、private方法都是调用的invokespecial；
  • 普通public方法调用的是invokevirtual；
  • 静态方法调用的是invokestatic；

其中，invokestatic和invokespecial都属于静态绑定，也就是在.class字节码指令生成的时候，就知道如何找到哪个类的哪个方法了。构造方法、私有方法、静态方法都是能唯一确定的；只有普通的public方法在编译期间并不能确定是调用哪个类的哪个方法，也许是子类的也许是父类的，所以invokevirtual叫动态绑定，在运行的时候确定。

  • 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 是复制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，就是说调用完构造方法后，复制的这个引用就清除了。**延伸：这里就是我们所说的new对象的时候会调用构造方法），另一个要配合 astore_1 赋值给局部变量；（注意：赋值完成后，操作数栈就没有数据了哦）
  • 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；（因为调用静态方法不需要对象调用）
  • 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

前面介绍了虚拟机指令中的方法调用的多种方式，其中有一种方式是invokevirtual ，它是实现一个方法的多态调用，它的工作方法更为复杂，这里研究invokevirtual指令的执行流程，也就是多态的原理。

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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，执行相关命令。
3）查找某个对象
4）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。
5）查看对象Class的内存地址
6）查看类的vtable
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？
7 ）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

Dog - public void eat() @0x000000001b7d3fa8
Animal - public java.lang.String toString() @0x000000001b7d35e8;
Object - protected void finalize() @0x000000001b3d1b10;
Object - public boolean equals(java.lang.Object) @0x000000001b3d15e8;
Object - public native int hashCode() @0x000000001b3d1540;
Object - protected native java.lang.Object clone() @0x000000001b3d1678;
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

多态原理小结★★★

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

1）​​​​​​​ try-catch

源码：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

public class Demo3_11_1 {

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

运行上面的代码，生成.class文件，再执行反编译命令后的关键的字节码摘录：

（不运行代码直接javac编译，与运行代码编译，反编译后的字节码格式上有一点差异）

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 这两行执行try中的代码块，如果发生异常，怎么进入catch的呢？

5: goto 12

8: astore_2 把那些异常对象的引用地址存入到局部变量表2号槽位上，槽位名字是e

9: bipush 20

11: istore_1

12: return

Exception table: Exception table对上面[2,5)行代码进行监控，一旦有异常发生，会进行匹配，如果与声明的java/lang/Exception类型一致或者是它的子类，则进入到target指示的第8行执行。
from to target type
2 5 8 Class java/lang/Exception

LineNumberTable:

line 6: 0

line 8: 2

line 11: 5

line 9: 8

line 10: 9

line 12: 12

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: number_of_entries = 2

frame_type = 255 /* full_frame */

offset_delta = 8

locals = [ class "[Ljava/lang/String;", int ]

stack = [ class java/lang/Exception ]

frame_type = 3 /* same */

MethodParameters:

Name Flags

args

2）多个single-catch块的情况

3）multi-catch****的情况

这是JDK1.7后的新语法

源码：

java 复制代码 
package org.wuya.test;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

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");
    }
}

4）finally

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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;
        }
    }
}

分析字节码知道：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。

5）finally****面试题一

finally 出现了 return

问：下面程序输出结果是什么？

  • 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，可以试一下下面的代码

finally 中出现了 return，会吞掉异常，所以日常编码一定不要在finally中写return代码！

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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;//虽然有异常，但该程序执行时不会发生任何异常，因为吞掉了。
            return 10;
        } finally {
            return 20;
        }
    }
}

5）finally****面试题二

finally 对返回值影响

java 复制代码 
package org.wuya.test;

public class Demo3_12_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);//10
    }

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

分析字节码知道：如果在try中进行了return，之后又在finally中进行了修改，是不会影响返回结果的。因为它在return之前先做了暂存，然后执行了finally中的代码，然后再把暂存的值恢复到栈顶，返回的还是暂存的这个值。所以结果已经在return时确定了，再在finally中修改已经无效了。

延伸：

2.12 synchronized

从字节码角度分析：为什么synchronized能够保证加锁/释放锁的成对出现呢？

java 复制代码 
package org.wuya.test;

public class Demo3_13 {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }
}
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                  // class java/lang/Object
         3: dup
         4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: dup
        10: astore_2
        11: monitorenter
        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
        21: monitorexit
        22: goto          30
        25: astore_3
        26: aload_2
        27: monitorexit
        28: aload_3
        29: athrow
        30: return
      Exception table:
         from    to  target type
            12    22    25   any
            25    28    25   any
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
        line 7: 12
        line 8: 20
        line 9: 30
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      31     0  args   [Ljava/lang/String;
            8      23     1  lock   Ljava/lang/Object;
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 255 /* full_frame */
          offset_delta = 25
          locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object, class java/lang/Object ]
          stack = [ class java/lang/Throwable ]
        frame_type = 250 /* chop */
          offset_delta = 4
    MethodParameters:
      Name                           Flags
      args

注意：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现。

**三、**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。

1. 自动生成无参构造方法

2. 自动拆装箱的转换

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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


这个特性是 JDK 5 开始加入的。由于是编译期完成的，所以代码怎么写都行哦，不存在效率高低之分。即使下面这样写也不代表效率高哦。

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

**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，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（checkcast）的操作。
  • 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。但是有限制：虽然没有被擦除，但局部变量上的泛型信息没有办法通过反射机制拿到；只有在方法参数和返回值上带有泛型信息，才能用反射的方法获取到。

4. 可变参数

​​​​​​​ 可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性。

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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"});
}
}

注意：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。

5. foreach****循环

也是 JDK 5 开始引入的语法糖。

  • 数组的循环会被编译器转换为：带下标的fori循环；
  • 集合的循环实际被编译器转换为对迭代器的调用

注意
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 ）

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。
字符串的switch，实际被拆分成两个整数的switch分支。

7. switch****枚举

java 复制代码 
package org.wuya.test;

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;
        }
    }
}

8. 枚举

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);
    }
}

枚举类的本质也是一个Class，它里面的 MALE, FEMALE 实际上就是Class的两个实例对象。枚举类和普通类的最大区别就是，普通类的实例对象可以是无穷多个，而枚举类的实例对象是有限的，比如该例中实例对象只有MALE, FEMALE两个。通过上面的字节码可以分析出来。

9. try-with-resources

jdk1.7新增，用于简化资源的关闭。语法：

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();
        }
    }
}

10. 方法重写时的桥接方法

11. 匿名内部类

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);
    }
}

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。

四、类加载阶段

三大步：加载；链接（验证、准备、解析）；初始化。

4.1 加载

将类的字节码载入 方法区 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，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 接口方法表

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。

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

1）验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查。

2）准备★★★

为 static 变量分配空间，设置默认值；

  • static 变量在JDK7之前存储于instanceKlass末尾，从JDK7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（第三大步）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；

3）解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用。（举例说明的）

4.3 初始化

<cinit>()V 方法

初始化即调用 <cinit>()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全。
发生初始化的时机
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
  • 类加载器的 loadClass 方法
  • Class.forName 的参数 2 为 false 时

练习一：

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

java 复制代码 
public class Load4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);//不会
        System.out.println(E.b);//不会
        System.out.println(E.c);//会
    }
}
class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;
}

练习二：典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式

java 复制代码 
public final 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;
    }
}

静态内部类的好处：它可以访问外部类的资源。

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

五、类加载器

以 JDK 8 为例：

java 复制代码 
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("java.lang.String");
        ClassLoader classLoader = aClass.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//null
    }

代码如上，如果获取某个类的类加载器是null时，表示该类是由启动类加载器Bootstrap加载的。因为Bootstrap加载器的代码是c语言写的，java直接获取不到。

5.1 双亲委派机制

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则。

  • Bootstrap 启动类加载器
  • ExtClassLoader 扩展类加载器
  • AppClassLoader 应用程序类加载器

1）启动类加载器优先级最高。

2）如我们自己写的类（classpath路径下），首先经由AppClassLoader时，必须经过【上级】加载器的允许，即会逐层向上询问，上级的两个加载器没有加载时，才能轮到AppClassLoader加载。（确保了类的唯一性、安全性）

3）首先检查本类加载器有没有加载过，如果还没有，就看它有没有上级，有上级就调用递归方法委派给上级，源码如下：（老师用的断点跟踪，非常清晰）

java 复制代码 
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派BootstrapClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }

            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);

                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

5.2 线程上下文类加载器

我们在使用JDBC时，都需要加载Driver驱动，不知道你注意到没有，不写Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，怎么做的呢？
大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）
SPI约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

这样就可以使用

java 复制代码 
ServiceLoader<接口类型> allImpls = ServiceLoader.load(接口类型.class);
Iterator<接口类型> iter = allImpls.iterator();
while(iter.hasNext()) {
    iter.next();
}

来得到实现类，体现的是【面向接口编程 + 解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

  • JDBC
  • Servlet 初始化器
  • Spring 容器
  • Dubbo（对 SPI 进行了扩展）
    接着看 ServiceLoader.load 方法：
java 复制代码 
public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 获取线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器AppClassLoader，它内部又是由 Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码略。

5.3 自定义类加载器

什么时候需要自定义类加载器？

1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
3）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：

  1. 继承 ClassLoader 父类；
  2. 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法；
    注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
  3. 读取类文件的字节码；
  4. 调用父类的 defineClass 方法来加载类；
  5. 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法；

六、运行期优化

6.1 即时编译

JVM 将执行状态分成了 5 个层次：

  • 0 层，解释执行（Interpreter）

  • 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：

  • 解释器是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；

  • JIT 是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；

  • 解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码；

  • JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码。

对于占据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），优化之。
即时编译的三种体现形式：

  • 逃逸分析：刚才的一种优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸。可以使用 -XX:-DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果。
  • 方法内联
  • 字段优化

6.2 反射优化

java 复制代码 
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

java 复制代码 
class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
    private final Method method;
    private DelegatingMethodAccessorImpl parent;
    private int numInvocations;

    NativeMethodAccessorImpl(Method var1) {
        this.method = var1;
    }

    public Object invoke(Object var1, Object[] var2) 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 var3 = (MethodAccessorImpl)(new MethodAccessorGenerator()).generateMethod(this.method.getDeclaringClass(), this.method.getName(), this.method.getParameterTypes(), this.method.getReturnType(), this.method.getExceptionTypes(), this.method.getModifiers());
            this.parent.setDelegate(var3);
        }

        // 调用本地native实现，效率低下
        return invoke0(this.method, var1, var2);
    }

    void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl var1) {
        this.parent = var1;
    }

    private static native Object invoke0(Method var0, Object var1, Object[] var2);
}

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：

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
（此处省略......）
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。

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