JVM2-JVM组成、字节码文件、类的生命周期、类加载器

Java虚拟机的组成

Java虚拟机主要分为以下几个组成部分：

类加载子系统：核心组件类加载器，负责将字节码文件中的内容加载到内存中
运行时数据区：JVM管理的内存，创建出来的对象、类的信息等内容都会放在这块区域中
执行引擎：包含了即时编译器、解释器、垃圾回收器，执行引擎使用解释器将字节码指令解释成机器码，使用即时编译器优化性能，使用垃圾回收器回收不再使用的对象
本地接口：调用本地使用C/C++编译好的方法，本地方法在Java中声明时，都会带上native关键字，如下图所示

字节码文件

字节码文件打开方式

字节码文件中保存了源代码编译之后的内容，以二进制的方式存储，无法直接用记事本打开阅读

通过NotePad++使用十六进制插件查看class文件：

无法解读出文件里包含的内容，推荐使用 jclasslib工具查看字节码文件

Github地址： https://github.com/ingokegel/jclasslib

字节码文件的组成

字节码文件总共可以分为以下几个部分：

基础信息：魔数、字节码文件对应的Java版本号、访问标识(public final等等)、父类和接口信息
常量池：保存了字符串常量、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用
字段：当前类或接口声明的字段（变量）信息
方法：当前类或接口声明的方法信息，核心内容为方法的字节码指令
属性：类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等

基本信息

基本信息包含了jclasslib中能看到的两块内容：

Magic魔数

每个Java字节码文件的前四个字节是固定的，用16进制表示就是0xcafebabe

文件是无法通过文件扩展名来确定文件类型的，文件扩展名可以随意修改，不影响文件的内容

软件会使用文件的头几个字节（文件头）去校验文件的类型，如果软件不支持该种类型就会出错

Java字节码文件中，将文件头称为magic魔数

Java虚拟机会校验字节码文件的前四个字节是不是0xcafebabe，如果不是，该字节码文件就无法正常使用，Java虚拟机会抛出对应的错误

主副版本号

主副版本号指的是编译字节码文件时使用的JDK版本号，主版本号用来标识大版本号，JDK1.0-1.1使用了45.0-45.3，JDK1.2是46之后每升级一个大版本就加1；副版本号是当主版本号相同时作为区分不同版本的标识，一般只需要关心主版本号

1.2之后大版本号计算方法就是 : 主版本号 - 44，比如主版本号52就是JDK8

版本号的作用主要是判断当前字节码的版本和运行时的JDK是否兼容。如果使用较低版本的JDK去运行较高版本JDK的字节码文件，无法使用会显示如下错误：

有两种方案：

升级JDK版本，将图中使用的JDK6升级至JDK8即可正常运行，容易引发其他的兼容性问题，并且需要大量的测试
将第三方依赖的版本号降低或者更换依赖，以满足JDK版本的要求（建议使用这种方案）

常量池

字节码文件中常量池的作用：避免相同的内容重复定义，节省空间

常量池中的数据都有一个编号，编号从1开始。比如“我爱北京天安门”这个字符串，在常量池中的编号就是7，在字段或者字节码指令中通过编号7可以快速的找到这个字符串

字节码指令中通过编号引用到常量池的过程称之为符号引用

字段

字段中存放的是当前类或接口声明的字段信息

如下图中，定义了两个字段a1和a2，这两个字段就会出现在字段这部分内容中，同时还包含字段的名字、描述符（字段的类型）、访问标识（public/private static final等）

方法

字节码中的方法区域是存放字节码指令的核心位置，字节码指令的内容存放在方法的Code属性中

通过分析方法的字节码指令，可以清楚地了解一个方法到底是如何执行的

先来看如下案例：

int i = 0;
int j = i + 1;

这段代码编译成字节码指令之后是如下内容：

要理解这段字节码指令是如何执行的，首先要理解两块内存区域：操作数栈和局部变量表

操作数栈是用来存放临时数据的内容，是一个栈式的结构，先进后出

局部变量表是存放方法中的局部变量，包含方法的参数、方法中定义的局部变量，在编译期就已经可以确定方法有多少个局部变量

执行流程：

1.iconst_0，将常量0放入操作数栈。此时栈上只有0

2.istore_1会从操作数栈中，将栈顶的元素弹出来，此时0会被弹出，放入局部变量表的1号位置。局部变量表中的1号位置，在编译时就已经确定是局部变量i使用的位置。完成了对局部变量i的赋值操作

3.iload_1将局部变量表1号位置的数据放入操作数栈中，此时栈中会放入0

4.iconst_1会将常量1放入操作数栈中

5.iadd会将操作数栈顶部的两个数据相加，现在操作数栈上有两个数0和1，相加之后结果为1放入操作数栈中，此时栈上只有一个数也就是相加的结果1

6.istore_2从操作数栈中将1弹出，并放入局部变量表的2号位置，2号位置是j在使用。完成了对局部变量j的赋值操作

7.return语句执行，方法结束并返回

i=i++的执行流程：结果为0

i++的字节码指令如下，其中iinc 1 by 1指令指的是将局部变量表1号位置增加1，其实就实现了i++的操作

i=++i的执行流程：结果为1

面试题：int i = 0; i = i++; 最终i的值是多少？

答：答案是0，通过分析字节码指令发现，i++先把0取出来放入临时的操作数栈中，接下来对i进行加1，i变成了1，最后再将之前保存的临时值0放入i，最后i就变成了0

属性

属性主要指的是类的属性，比如源码的文件名、内部类的列表等

字节码常用工具

javap

javap是JDK自带的反编译工具，可以通过控制台查看字节码文件的内容，适合在服务器上查看字节码文件内容

直接输入javap查看所有参数，输入javap -v 字节码文件名称查看具体的字节码信息（如果jar包需要先使用 jar –xvf 命令解压）

jclasslib插件

jclasslib也有Idea插件版本，建议开发时使用Idea插件版本，可以在代码编译之后实时看到字节码文件内容

选中要查看的源代码文件，选择视图(View) - Show Bytecode With Jclasslib，右侧会展示对应源代码编译后的字节码文件内容

tips:

一定要选择文件再点击视图(view)菜单，否则菜单项不会出现
文件修改后一定要重新编译之后，再点击刷新按钮

Arthas

Arthas 是一款线上监控诊断产品，通过全局视角实时查看应用 load、内存、gc、线程的状态信息，并能在不修改应用代码的情况下，对业务问题进行诊断，大大提升线上问题排查效率

官网：https://arthas.aliyun.com/doc/

Arthas的功能列表如下：

D盘arthas文件夹，使用java -jar arthas-boot.jar 启动程序，输入需要Arthas监控的进程id，输入命令即可使用

命令1：dump

命令详解：https://arthas.aliyun.com/doc/dump.html

dump命令可以将字节码文件保存到本地，如下将java.lang.String 的字节码文件保存到了/tmp/output目录下：

$ dump -d /tmp/output java.lang.String

 HASHCODE  CLASSLOADER  LOCATION
 null                   /tmp/output/java/lang/String.class
Affect(row-cnt:1) cost in 138 ms.

命令2：jad

命令详解：https://arthas.aliyun.com/doc/jad.html

jad命令可以将类的字节码文件进行反编译成源代码，用于确认服务器上的字节码文件是否是最新的，如下将demo.MathGame的源代码进行了显示

$ jad --source-only demo.MathGame
/*
 * Decompiled with CFR 0_132.
 */
package demo;

import java.io.PrintStream;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
import java.util.Random;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class MathGame {
    private static Random random = new Random();
    public int illegalArgumentCount = 0;
...

类的生命周期

概述

类的生命周期描述了一个类加载、使用、卸载的整个过程

整体可以分为：

加载
连接，其中又分为验证、准备、解析三个子阶段
初始化
使用
卸载

加载阶段

1.加载(Loading)阶段第一步是类加载器根据类的全限定名通过不同的渠道以二进制流的方式获取字节码信息，程序员可以使用Java代码拓展不同的渠道

从本地磁盘上获取文件
运行时通过动态代理生成，比如Spring框架
Applet技术通过网络获取字节码文件

2.类加载器在加载完类之后，Java虚拟机会将字节码中的信息保存到内存的方法区中

3.方法区中生成一个InstanceKlass对象，保存类的所有信息，里边还包含实现特定功能比如多态的信息

4.Java虚拟机同时会在堆上生成与方法区中数据类似的java.lang.Class对象，作用是在Java代码中去获取类的信息以及存储静态字段的数据（JDK8及之后）

对于开发者来说，只需要访问堆中的Class对象而不需要访问方法区中所有信息，这样Java虚拟机就能很好地控制开发者访问数据的范围

可以使用JDK自带的hsdb工具查看Java虚拟机内存信息，位于JDK安装目录下lib文件夹中的sa-jdi.jar中，启动命令：java -cp sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

连接阶段

连接阶段分为三个子阶段：

验证：验证内容是否满足《Java虚拟机规范》
准备：给静态变量赋初值
解析：将常量池中的符号引用替换成指向内存的直接引用

验证

验证的主要目的是检测Java字节码文件是否遵守了《Java虚拟机规范》中的约束，这个阶段一般不需要程序员参与

主要包含如下四部分，具体详见《Java虚拟机规范》：

文件格式验证，比如文件是否以0xCAFEBABE开头，主次版本号是否满足当前Java虚拟机版本要求
元信息验证，例如类必须有父类（super不能为空）
验证程序执行指令的语义，比如方法内的指令执行中跳转到不正确的位置
符号引用验证，例如是否访问了其他类中private的方法等

对版本号的验证：编译文件的主版本号不能高于运行环境主版本号，如果主版本号相等，副版本号也不能超过运行环境副版本号

准备

准备阶段为静态变量（static）分配内存并设置初始值

准备阶段只会给静态变量赋初始值，而每一种基本数据类型和引用数据类型都有其初始值

数据类型	初始值
int	0
long	0L
short	0
char	‘\u0000’
byte	0
boolean	false
double	0.0
引用数据类型	null

final修饰的基本数据类型的静态变量，准备阶段直接会将代码中的值进行赋值

解析

解析阶段主要是将常量池中的符号引用替换为直接引用

符号引用是在字节码文件中使用编号来访问常量池中的内容

直接引用不再使用编号，而是使用内存中地址进行访问具体的数据

初始化阶段

初始化阶段会执行静态代码块中的代码，并为静态变量赋值

初始化阶段会执行字节码文件中clinit部分的字节码指令

init方法，会在对象初始化时执行
main方法，主方法
clinit方法，类的初始化阶段执行

字节码指令：

1.iconst_1，将常量1放入操作数栈，此时栈中只有1这个数

2.putstatic指令会将操作数栈上的数弹出来，并放入堆中静态变量的位置，字节码指令中#2指向了常量池中的静态变量value，在解析阶段会被替换成变量的地址

3.后两步操作类似，执行value=2，将堆上的value赋值为2

clinit方法中的执行顺序与Java中编写的顺序是一致的

以下几种方式会导致类的初始化：

访问一个类的静态变量或者静态方法，注意变量是final修饰的并且等号右边是常量不会触发初始化
调用Class.forName(String className)
new一个该类的对象时
执行Main方法的当前类

添加 -XX:+TraceClassLoading 参数可以打印出加载并初始化的类

clinit不会执行的几种情况：

1.无静态代码块且无静态变量赋值语句

2.有静态变量的声明，但是没有赋值语句

3.静态变量的定义使用final关键字，这类变量会在准备阶段直接进行初始化

直接访问父类的静态变量，不会触发子类的初始化

子类的初始化clinit调用之前，会先调用父类的clinit初始化方法

面试题1：

以下代码的输出结果是什么？

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("A");
        new Test1();
        new Test1();
    }

    public Test1(){
        System.out.println("B");
    }

    {
        System.out.println("C");
    }

    static {
        System.out.println("D");
    }
}

执行main方法先初始化Test1的初始化方法，输出结果DA

创建两个对象，会执行两次对象初始化的指令，构造代码块C比构造方法先执行，所以先输出C再输出B

最终结果：DACBCB

面试题2：

以下代码的输出结果是什么？

public class Demo01 {
    public static void main(String[] args) {
        new B02();
        System.out.println(B02.a);
    }
}

class A02{
    static int a = 0;
    static {
        a = 1;
    }
}

class B02 extends A02{
    static {
        a = 2;
    }
}

分析步骤：

调用new创建对象，需要初始化B02，优先初始化父类
执行A02的初始化代码，将a赋值为1
B02初始化，将a赋值为2

如果去掉new B02()：

访问父类的静态变量，只初始化父类
执行A02的初始化代码，将a赋值为1

练习1：

数组的创建不会导致数组中元素的类进行初始化

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        Test2_A[] arr = new Test2_A[10];

    }
}

class Test2_A {
    static {
        System.out.println("Test2 A的静态代码块运行");
    }
}

练习2：

final修饰的变量，如果赋值的内容需要执行指令才能得出结果，会执行clinit方法进行初始化

public class Test4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Test4_A.a);
    }
}

class Test4_A {
    public static final int a = Integer.valueOf(1);

    static {
        System.out.println("Test3 A的静态代码块运行");
    }
}