JVM学习04：类加载与字节码技术

在这里插入图片描述

1、类文件结构

一个简单的 HelloWorld.java：

//HelloWorld示例
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：

[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：

ClassFile { 
    u4							magic; //魔数
    u2							minor_version; //小版本
    u2							major_version; //大版本
    u2							constant_pool_count; //常量池的信息
    cp_info					constant_pool[constant_pool_count-1]; 
    u2							access_flags; //访问修饰
    u2							this_class; //类自己的包名
    u2							super_class; //父类的包名
    u2							interfaces_count; //接口信息
    u2							interfaces[interfaces_count]; 
    u2							fields_count; //类中变量信息
    field_info 			fields[fields_count]; 
    u2 							methods_count; //方法信息
    method_info 		methods[methods_count]; 
    u2 							attributes_count; //类的属性信息
    attribute_info attributes[attributes_count]; 
}

1.1、魔数

0~3 字节，表示它是否是【class】类型的文件。

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

1.2、版本

4~7 字节，表示类的版本 00 34（52）表示是 Java 8。

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

1.3、常量池

常量池表：

在这里插入图片描述

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
······（后面的信息不再赘述）

1.4、访问标识与继承信息

在这里插入图片描述

21**（相当于0x0020+0x0001）**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

00 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

00 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

00 00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

1.5、Field信息

在这里插入图片描述

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

1.6、Method信息

表示方法数量，本类为 2。

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

一个方法由访问修饰符、名称、参数描述、方法属性数量、方法属性组成。

红色代表访问修饰符（本类中是 public）。
蓝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。
黄色代表方法属性数量，本方法是 1。
红色代表方法属性。
- 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。

在这里插入图片描述

······（后面的信息不再赘述）

1.7、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

2、字节码指令

2.1、入门

接着上一节，研究一下两组字节码指令，一个是 public cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld(); ，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."<init>":()V 。
b1：表示返回。

另一个是 public static void main(java.lang.String[]); ，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？
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？
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。

2.2、javap工具

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

终端输入：javap -v HelloWorld.class，可以看到类的信息：

(base) wangcheng@wangchengdeMacBook-Air lesson02 % javap -v HelloWorld.class
Classfile /Users/wangcheng/IdeaProjects/JVM02/out/production/JVM02/com/jvm/lesson02/HelloWorld.class
  Last modified 2023-3-18; size 567 bytes
  MD5 checksum 15eda243fa8f395a688eacf407afe95f
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class com.jvm.lesson02.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            // hello world
   #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #26            // com/jvm/lesson02/HelloWorld
   #6 = Class              #27            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/jvm/lesson02/HelloWorld;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               HelloWorld.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #21 = Class              #28            // java/lang/System
  #22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               hello world
  #24 = Class              #31            // java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               com/jvm/lesson02/HelloWorld
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               java/lang/System
  #29 = Utf8               out
  #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #31 = Utf8               java/io/PrintStream
  #32 = Utf8               println
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public com.jvm.lesson02.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 4: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/jvm/lesson02/HelloWorld;

  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 6: 0
        line 7: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "HelloWorld.java"

2.3、图解方法执行流程

原始java代码

package com.jvm.lesson04.bytecode;

/**
 * 演示 字节码指令 和 操作数栈、常量池的关系
 */
public class demo02 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = Short.MAX_VALUE + 1;
        int c = a + b;
        System.out.println(c);
    }
}

编译后的字节码文件

（这里不写了）

常量池载入运行时常量池

在这里插入图片描述

方法字节码载入方法区

在这里插入图片描述

main 线程开始运行，分配栈帧内存

stack（操作数栈）=2；locals（局部变量表）=4

在这里插入图片描述

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），类似的指令还有以下几个：
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。

在这里插入图片描述

istore_1：

将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1。

在这里插入图片描述

ldc #3:

从常量池加载 #3 数据到操作数栈。
注意：Short.MAX_VALUE 是 32767，所以 32768 = Short.MAX_VALUE + 1 实际是在编译期间计算好的。

在这里插入图片描述

istore_2：

在这里插入图片描述

iload_1：

在这里插入图片描述

iload_2：

在这里插入图片描述

iadd：

在这里插入图片描述

istore_3：

在这里插入图片描述

getstatic #4：

在这里插入图片描述

iload_3：

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

执行完毕，弹出栈帧。
清除 main 操作数栈内容。

在这里插入图片描述

return

完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧。
程序结束。

2.4、练习-分析i++

目的：从字节码角度分析 a++ 相关题目。

源码：

/**
 * 从字节码角度分析　a++  相关题目
 */
public class demo03 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = a++ + ++a + a--;
        System.out.println(a);
        System.out.println(b);
    }
}

字节码：（只列出了关键的字节码）

······
{
  public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_2();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: iload_1
         4: iinc          1, 1
         7: iinc          1, 1
        10: iload_1
        11: iadd
        12: iload_1
        13: iinc          1, -1
        16: iadd
        17: istore_2
        18: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        21: iload_1
        22: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        25: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        28: iload_2
        29: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        32: return
      LineNumberTable:
        line 8: 0
        line 9: 3
        line 10: 18
        line 11: 25
        line 12: 32
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      33     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      30     1     a   I
           18      15     2     b   I
}
SourceFile: "Demo3_2.java"

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。

图解：

在这里插入图片描述

2.5、条件判断指令

在这里插入图片描述

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。

代码：

public class demo04 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        if(a == 0) {
            a = 10;
        } else {
            a = 20;
        }
    }
}

字节码：

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

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。

while 循环：

public class demo05 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        while (a < 10) {
            a++;
        }
    }
}

字节码是：

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

do while 循环：

public class demo06 {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        do {
            a++;
        } while (a < 10);
    }
}

字节码是：

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

for 循环：

public class demo07 {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {

        }
    }
}

字节码是：(和while循环一样)

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

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

2.7、练习-判断结果

请从字节码角度分析，下列代码运行的结果：

public class demo08 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        int x = 0;
        while (i < 10) {
            x = x++;
            i++;
        }
        System.out.println(x);
    }
}

字节码是：

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

分析：结果x为0。在x = x++;中。自增操作在局部变量表的槽位上进行，然后又将x存到局部变量表的槽位上，此时局部变量表的槽位的x被覆盖了，因此x一直为0。

2.8、构造方法

(1) ()V

public class demo09 {
    static {
        i = 20;
    }


    static {
        i = 30;
    }

    static int i = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(demo09.i);
    }
}

字节码：

 0: bipush        20
 2: putstatic     #3                  // Field i:I
 5: bipush        30
 7: putstatic     #3                  // Field i:I
10: bipush        10
12: putstatic     #3                  // Field i:I
15: return

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 。
<cinit>()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用。

练习

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

结果：也是按从上至下的顺序执行。

(2) ()V

//执行顺序：1。静态代码块。2。匿名代码块。3。构造方法。
public class demo10 {
    private String a = "s1";

    {
        b = 20; 
    }

    private int b = 10;

    {
        a = "s2";
    }

    public demo10(String a, int b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }

    public static void main(String[] args) {
        demo10 d = new demo10("s3", 30);
        System.out.println(d.a);
        System.out.println(d.b);
    }
}

字节码：

在这里插入图片描述

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} (匿名)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。

执行顺序：1、静态代码块；2、匿名代码块；3、构造方法。

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：

public class demo11 {
    public demo11() { }

    private void test1() { }

    private final void test2() { }

    public void test3() { }

    public static void test4() { }

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

    public static void main(String[] args) {
        demo11 d = new demo11();
        d.test1();
        d.test2();
        d.test3();
        d.test4();
        demo11.test4();
        d.toString();
    }
}

字节码：

 0: new           #3                  // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/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

new 是创建【对象】，给对象分配堆内存，执行成功会将【对象引用】压入操作数栈。
dup 是赋值操作数栈栈顶的内容，本例即为【对象引用】，为什么需要两份引用呢，一个是要配合 invokespecial 调用该对象的构造方法 "<init>":()V （会消耗掉栈顶一个引用），另一个要配合 astore_1 赋值给局部变量。
最终方法（final），私有方法（private），构造方法都是由 invokespecial 指令来调用，属于静态绑定。
普通成员方法是由 invokevirtual 调用，属于动态绑定，即支持多态。
成员方法与静态方法调用的另一个区别是，执行方法前是否需要【对象引用】。
比较有意思的是 d.test4(); 是通过【对象引用】调用一个静态方法，可以看到在调用invokestatic 之前执行了 pop 指令，把【对象引用】从操作数栈弹掉了。
还有一个执行 invokespecial 的情况是通过 super 调用父类方法。

2.10、多态的原理

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 demo01 {

    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");
    }
}

小结：

当执行 invokevirtual 指令时：

先通过栈帧中的对象引用找到对象。
分析对象头，找到对象的实际 Class。
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。
查表得到方法的具体地址。
执行方法的字节码。

2.11、异常处理

try-catch：

public class demo12 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (Exception e) {
            i = 20;
        }
    }
}

字节码：

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

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：

public class demo13 {
    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：

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

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：

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

public class demo14 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            Method test = demo14.class.getMethod("test");
            test.invoke(null);
        } catch (NoSuchMethodException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

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

字节码：

Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: ldc           #2                  // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_11_3
         2: ldc           #3                  // String test
         4: iconst_0
         5: anewarray     #4                  // class java/lang/Class
         8: invokevirtual #5                  // Method java/lang/Class.getMethod:(Ljava/lang/String;[Ljava/lang/Class;)Ljava/lang/reflect/Method;
        11: astore_1
        12: aload_1
        13: aconst_null
        14: iconst_0
        15: anewarray     #6                  // class java/lang/Object
        18: invokevirtual #7                  // Method java/lang/reflect/Method.invoke:(Ljava/lang/Object;[Ljava/lang/Object;)Ljava/lang/Object;
        21: pop
        22: goto          30
        25: astore_1
        26: aload_1
        27: invokevirtual #11                 // Method java/lang/ReflectiveOperationException.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;

finally:

public class demo15 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        try {
            i = 10;
        } catch (Exception e) {
            i = 20;
        } finally {
            i = 30;
        }
    }
}

字节码：

在这里插入图片描述

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。

2.12、练习-finally面试题

finally 出现了 return:

public class demo17 {
    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;
        }
    }
}

字节码：

 Code:
   stack=2, locals=3, args_size=0
      0: iconst_1
      1: iconst_0
      2: idiv
      3: istore_0
      4: bipush        10		// <- 10 放入栈顶
      6: istore_1						// 10 -> slot 0 (从栈顶移除了)
      7: bipush        20		// <- 20 放入栈顶
      9: ireturn						// 返回栈顶 int(20)
     10: astore_2						// catch any -> slot 1
     11: bipush        20		// <- 20 放入栈顶
     13: ireturn						// 返回栈顶 int(20)
   Exception table:
      from    to  target type
          0     7    10   any
   LineNumberTable:
     ...
   LocalVariableTable:
     Start  Length  Slot  Name   Signature
         4       6     0     i   I

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，可以试一下加上int i = 1/0;。

finally 对返回值影响：

public class demo16 {
    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：

在这里插入图片描述

2.13、synchronized

public class demo18 {
    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }
}

字节码：

在这里插入图片描述

注意：方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现。

3、编译期处理

所谓的语法糖，其实就是指 java 编译器把 .java 源码编译为 .class 字节码的过程中，自动生成

和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利（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。

3.1、默认构造器

public class demo01 {   
}

编译成class后的代码：

public class demo01 {
    // 这个无参构造是编译器帮助我们加上的
    public demo01() {
        super(); // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object." <init>":()V
    }
}

3.2、自动拆装箱

这个特性是 JDK 5 开始加入的，代码片段1：

public class demo02 {
    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 ：

public class demo02 {
    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。

3.3、泛型集合取值

泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行泛型擦除的动作，即泛型信息在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理：

public class demo03 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        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：

// 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：

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

还好这些麻烦事都不用自己做。

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。

在这里插入图片描述

使用反射，仍然能够获得这些信息：

public class demo03 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Method test = demo03.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
        Type[] types = test.getGenericParameterTypes();
        for (Type type : types) {
            if (type instanceof ParameterizedType) {
                ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;
                System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());
                Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();
                for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {
                    System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]);
                }
            }

        }

    }

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

结果输出：

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

3.4、可变参数

可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性：

例如：

public class demo04 {
    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：

public class demo04 {
    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。

3.5、foreach 循环

仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

public class demo05 {
    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：

public class demo05 {
  	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：

public class demo06 {
    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：

public class demo06 {
  	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); 
        }
    }
}

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 ）。

3.6、switch 字符串

从 JDK 7 开始，switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

public class demo07 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

注意:

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：

在这里插入图片描述

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：

public class demo08 {
    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：

在这里插入图片描述

3.7、switch 枚举

switch 枚举的例子，原始代码：

enum Sex {
    MALE, FEMALE;
}

public class demo09 {
    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：

在这里插入图片描述

3.8、枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

enum Sex {
    MALE, FEMALE;
}

转换后代码：

在这里插入图片描述

3.9、try-with-resources

JDK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources：

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：

public class demo10 {
    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：

在这里插入图片描述

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）：

在这里插入图片描述

输出：

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。

3.10、方法重写时的桥接方法

我们都知道，方法重写时对返回值分两种情况：

父子类的返回值完全一致。
子类返回值可以是父类返回值的子类（比较绕口，见下面的例子）。

在这里插入图片描述

对于子类，java 编译器会做如下处理：

在这里插入图片描述

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：

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

会输出：

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

3.11、匿名内部类

源代码：

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：

// 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：

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：

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

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

注意：

这同时解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final 的：因为在创建 Candy11$1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy11$1 对象的 val$x 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。

4、类加载阶段

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HSDB工具查看。

在这里插入图片描述

4.2、链接

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查。

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

发现会出现一个类格式问题的错误。

在这里插入图片描述

准备

为 static 变量分配空间，设置默认值。

static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾。
static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成。
如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成。
如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成。

测试代码：

// 演示 final 对静态变量的影响
public class demo01 {
    static int a;
    static int b = 10;
    static final int c = 20;
    static final String d = "hello";
    static final Object e = new Object();
}

字节码：

Classfile /Users/wangcheng/IdeaProjects/JVM02/out/production/JVM02/com/jvm/lesson04/load/demo01.class
  Last modified 2023-3-16; size 530 bytes
  MD5 checksum 4c56c6d97259dccfc89be686b86f1da8
  Compiled from "demo01.java"
public class com.jvm.lesson04.load.demo01
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #3.#27         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #5.#28         // com/jvm/lesson04/load/demo01.b:I
   #3 = Class              #29            // java/lang/Object
   #4 = Fieldref           #5.#30         // com/jvm/lesson04/load/demo01.e:Ljava/lang/Object;
   #5 = Class              #31            // com/jvm/lesson04/load/demo01
   #6 = Utf8               a
   #7 = Utf8               I
   #8 = Utf8               b
   #9 = Utf8               c
  #10 = Utf8               ConstantValue
  #11 = Integer            20
  #12 = Utf8               d
  #13 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #14 = String             #32            // hello
  #15 = Utf8               e
  #16 = Utf8               Ljava/lang/Object;
  #17 = Utf8               <init>
  #18 = Utf8               ()V
  #19 = Utf8               Code
  #20 = Utf8               LineNumberTable
  #21 = Utf8               LocalVariableTable
  #22 = Utf8               this
  #23 = Utf8               Lcom/jvm/lesson04/load/demo01;
  #24 = Utf8               <clinit>
  #25 = Utf8               SourceFile
  #26 = Utf8               demo01.java
  #27 = NameAndType        #17:#18        // "<init>":()V
  #28 = NameAndType        #8:#7          // b:I
  #29 = Utf8               java/lang/Object
  #30 = NameAndType        #15:#16        // e:Ljava/lang/Object;
  #31 = Utf8               com/jvm/lesson04/load/demo01
  #32 = Utf8               hello
{
  static int a;
    descriptor: I
    flags: ACC_STATIC

  static int b;
    descriptor: I
    flags: ACC_STATIC

  static final int c;
    descriptor: I
    flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 20

  static final java.lang.String d;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: String hello

  static final java.lang.Object e;
    descriptor: Ljava/lang/Object;
    flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL

  public com.jvm.lesson04.load.demo01();
    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
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/jvm/lesson04/load/demo01;

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=0, args_size=0
         0: bipush        10
         2: putstatic     #2                  // Field b:I
         5: new           #3                  // class java/lang/Object
         8: dup
         9: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
        12: putstatic     #4                  // Field e:Ljava/lang/Object;
        15: return
      LineNumberTable:
        line 7: 0
        line 10: 5
}
SourceFile: "demo01.java"

最下面的static块为初始化。可以看到，c和d在准备阶段就完成了赋值操作，而b和e在初始化阶段赋值。

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用。

/**
 * 解析的含义
 */
public class demo02 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
        ClassLoader classloader = demo02.class.getClassLoader();
        // loadClass 方法不会导致类的解析和初始化
        Class<?> c = classloader.loadClass("com.jvm.lesson04.load.C");
        // new C();
        System.in.read();
    }
}

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

class D {

}

使用HSDB分析结果。因为loadClass方法不会导致类的解析和初始化，所以HSDB里找不到D的类；而使用new C()会导致类的解析和初始化，所以HSDB可以找到D的类。

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。

测试代码：(静态代码块执行代表初始化了)

public class demo03 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
        // 1. 静态常量不会触发初始化
        // System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
        // System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
        // System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("com.jvm.lesson04.load.B");
        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        // ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        // Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.B", false, c2);
        System.in.read();


        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
        // System.out.println(A.a);
        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
        // System.out.println(B.c);
        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
        // System.out.println(B.a);
        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
        // Class.forName("com.jvm.lesson04.load.B");
    }
}

class A {
    static int a = 0;
    static {
        System.out.println("a init");
    }
}

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

4.4、练习

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：

public class demo09 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);
        System.out.println(E.b);
        System.out.println(E.c);

    }
}

class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;  // Integer.valueOf(20)
    static {
        System.out.println("init E");
    }
}

结果：a和b不会被初始化，因为他们是静态常量；c会被初始化，因为Integer是包装类，会调用一个Integer.valueOf(20)的方法。

练习二

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式：

public class demo04 {
    public static void main(String[] args) {
        Singleton.test();
        // Singleton.getInstance();
    }
}

class Singleton {

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

    private Singleton() {}
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder{
        private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
        static {
            System.out.println("lazy holder init");
        }
    }
    // 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.SINGLETON;
    }
}

结果：Singleton.test();不会初始化LazyHolder类；而Singleton.getInstance();会初始化LazyHolder类。

以上的实现特点是：

懒惰实例化。
初始化时的线程安全是有保障的。

5、类加载器

以 JDK 8 为例：

名称	加载哪的类	说明
Bootstrap ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib	无法直接访问
Extension ClassLoader	JAVA_HOME/jre/lib/ext	上级为 Bootstrap，显示为 null
Application ClassLoader	classpath	上级为 Extension
自定义类加载器	自定义	上级为 Application

5.1、启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

public class F {
    static {
        System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

执行:

public class demo05 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("com.jvm.lesson04.load.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader()); // null
    }
}

在终端运行，输出：

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5 
bootstrap F init 
null

null表示使用的根加载器，因为根加载器我们无法访问，因此显示null。

说明：

-Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath。
其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后。
可以用这个办法替换核心类。
- java -Xbootclasspath:<new bootclasspath> 。
- java -Xbootclasspath/a:<追加路径> 。
- java -Xbootclasspath/p:<追加路径>。

5.2、扩展类加载器

编写一个G类：

public class G {
    static {
        System.out.println("classpath G init");
    }
}

执行：

public class demo05 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("com.jvm.lesson04.load.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader()); //AppClassLoader  ExtClassLoader
    }
}

输出：

bootstrap F init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

说明G类是由Application加载器加载的。那么如何使用Extension加载器加载？

写一个同名的类：

public class G {
    static {
        System.out.println("ext G init");
    }
}

打个 jar 包：

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

将 jar 包拷贝到 JAVA_HOME/jre/lib/ext目录下，重新执行 Load5_2。

输出：

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

此时G类由Extension加载器加载。

5.3、双亲委派模式

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。

注意:

这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
    throws ClassNotFoundException
{
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        //首先查找该类是否已经被该类加载器加载过了
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        //如果没有被加载过
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                //看是否被它的上级加载器加载过了 Extension的上级是Bootstarp，但它显示为null
                if (parent != null) {
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //看是否被启动类加载器加载过
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // ClassNotFoundException thrown if class not found
                // from the non-null parent class loader
                //捕获异常，但不做任何处理
            }

            if (c == null) {
                //如果还是没有找到，先让拓展类加载器调用findClass方法去找到该类，如果还是没找到，就抛出异常
                //然后让应用类加载器去找classpath下找该类
                long t1 = System.nanoTime();
                c = findClass(name);

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

debug调试一下：

public class demo07 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = demo07.class.getClassLoader().loadClass("com.jvm.lesson04.load.H");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

执行流程为：

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

5.4、线程上下文类加载器

线程上下文类加载器打破了双亲委派机制。

在Java中，官方为我们提供了很多SPI接口，例如JDBC、JBI、JNDI等。这类SPI接口，官方往往只会定义规范，具体的实现则是由第三方来完成的，比如JDBC，不同的数据库厂商都需自己根据JDBC接口的定义进行实现。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，你知道是怎么做的吗？
总结：Java提供了很多核心接口的定义，这些接口被称为SPI接口，同时为了方便加载第三方的实现类，SPI提供了一种动态的服务发现机制（约定），只要第三方在编写实现类时，在工程内新建一个META-INF/services/目录并在该目录下创建一个与服务接口名称同名的文件，那么在程序启动的时候，就会根据约定去找到所有符合规范的实现类，然后交给线程上下文类加载器进行加载处理。

5.5、自定义类加载器

什么时候需要自定义类加载器?

想加载非 classpath 随意路径中的类文件。
都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计。
这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器。

步骤：

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

示例：

准备好class文件放入对应的目录下。

编写类加载器，并测试一下：

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.nio.file.Files;
import java.nio.file.Paths;

public class demo08 {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        Class<?> c1 = classLoader.loadClass("dwg");
        Class<?> c2 = classLoader.loadClass("dwg");
        System.out.println(c1 == c2);

        MyClassLoader classLoader2 = new MyClassLoader();
        Class<?> c3 = classLoader2.loadClass("dwg");
        System.out.println(c1 == c3);

        c1.newInstance();
    }
}

//自定义类加载器
class MyClassLoader extends ClassLoader {

    @Override // name 就是类名称
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String path = "/Users/wangcheng/Desktop/" + name + ".class";

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

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

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

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

结果分析：

true
false

当加载一个类的时候，只有当类的全限命名相同，并且使用同一个类加载器，才认为这两个类相同。

6、运行期优化

6.1、即时编译

分层编译（TieredCompilation）

先来个例子：

public class demo01 {
    // -XX:+PrintCompilation：打印编译信息
    // -XX:-DoEscapeAnalysis：关闭逃逸分析
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                new Object();
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\n",i,(end - start));
        }
    }
}

运行结果：

发现循环了很多次以后效率变高了，原因是什么呢？

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 profifiling）
2 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的 profifiling）
3 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的 profifiling）
4 层，使用 C2 即时编译器编译执

profifiling 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。

刚才代码中还有一种优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸（被循环外面的代码所引用）。可以使用 -XX:-DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果。

结果发现关闭逃逸分析后优化没有那么高了！

方法内联（Inlining）

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

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

如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置：

System.out.println(9 * 9);

还能够进行常量折叠（constant folding）的优化：

System.out.println(81);

测试代码：

public class demo02 {
    // -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining：打印内联信息
    // -XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square：禁止某个方法的内联
    // -XX:+PrintCompilation：打印编译信息

    public static void main(String[] args) {
        int x = 0;
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                x = square(9);

            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.printf("%d\t%d\t%d\n",i,x,(end - start));
        }
    }

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

测试结果：

0	81	43250
1	81	103167
2	81	21459
3	81	56833
······
495	81	0
496	81	0
497	81	0
498	81	41
499	81	41

结果发现，执行多次循环后，效率提升了很多！

字段优化

(这里视频讲的太懵了，总结如下：)

主要看这三个方法吧：

在这里插入图片描述

启动doSum方法的内联后，这几个方法的效率是差不多的；关闭后，test()1的效率最低。原因开启了内联后，test()1在运行期间对elements 成员变量进行了优化，相当于：

@Benchmark 
public void test1() { 
  // elements.length 首次读取会缓存起来 -> int[] local 
  for (int i = 0; i < elements.length; i++) { // 后续 999 次 求长度 <- local 
    sum += elements[i]; // 1000 次取下标 i 的元素 <- local 
  } 
}

可以节省 1999 次 Field 读取操作，但如果 doSum 方法没有内联，则不会进行上面的优化。

6.2、反射优化

测试代码：

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

public class demo01 {

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

    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException, IOException {
        Method foo = demo01.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。

在这里插入图片描述

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.reflflect.GeneratedMethodAccessor1。

可以使用阿里的 arthas 工具查看（不知道是啥东西）。执行16次时：

在这里插入图片描述

注意：

通过查看 ReflectionFactory 源码可知：

sun.reflflect.noInflflation 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.reflflect.inflflationThreshold 可以修改膨胀阈值。