一个简单java程序的运行全过程

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精品专栏

• 死磕Java并发

作者：某人的喵星人 原文：https://www.cnblogs.com/dqrcsc/p/4671879.html

简单说来，一个java程序的运行需要编辑源码、编译生成class文件、加载class文件、解释或编译运行class中的字节码指令。

下面有一段简单的java源码，通过它来看一下java程序的运行流程：

class Person{       private String name;       private int age;       public Person(int age, String name){              this.age = age;              this.name = name;       }       public void run(){       }}interface IStudyable{       public int study(int a, int b);}public class Student extends Person implements IStudyable{       private static int cnt=5;       static{            cnt++;       }       private String sid;       public Student(int age, String name, String sid){              super(age,name);              this.sid = sid;       }       public void run(){              System.out.println("run()...");       }       public int study(int a, int b){              int c = 10;              int d = 20;              return a+b*c-d;       }       public static int getCnt(){              return cnt;       }       public static void main(String[] args){              Student s = new Student(23,"dqrcsc","20150723");              s.study(5,6);              Student.getCnt();              s.run();       }}

1、编辑源码

无论是使用记事本还是别的什么，编写上面的代码，然后保存到Student.java，我直接就放到桌面了

2.编译生成class字节码文件

打开命令窗口，输入命令javac Student.java将该源码文件编译生成.class字节码文件。

由于在源码文件中定义了两个类，一个接口，所以生成了3个.clsss文件：

这样能在java虚拟机上运行的字节码文件就生成了

启动java虚拟机运行字节码文件

在命令行中输入 javaStudent 这个命令，就启动了一个 java 虚拟机，然后加载 Student.class 字节码文件到内存，然后运行内存中的字节码指令了。

我们从编译到运行 java 程序，只输入了两个命令，甚至，如果使用集成开发环境，如 eclipse，只要 ctrl+s 保存就完成了增量编译，只需要按下一个按钮就运行了 java 程序。但是，在这些简单操作的背后还有一些操作……

从源码到字节码

字节码文件，看似很微不足道的东西，却真正实现了 java 语言的跨平台。各种不同平台的虚拟机都统一使用这种相同的程序存储格式。更进一步说，jvm 运行的是 class 字节码文件，只要是这种格式的文件就行，所以，实际上 jvm 并不像我之前想象地那样与 java 语言紧紧地捆绑在一起。如果非常熟悉字节码的格式要求，可以使用二进制编辑器自己写一个符合要求的字节码文件，然后交给 jvm 去运行；或者把其他语言编写的源码编译成字节码文件，交给 jvm 去运行，只要是合法的字节码文件， jvm 都会正确地跑起来。所以，它还实现了跨语言……

通过 jClassLib 可以直接查看一个 .class 文件中的内容，也可以给 JDK 中的 javap 命令指定参数，来查看 .class 文件的相关信息：

javap–vStudent

好多输出，在命令行窗口查看不是太方便，可以输出重定向下：

javap–vStudent>Student.class.txt

桌面上多出了一个 Student.class.txt 文件，里面存放着便于阅读的Student.class文件中相关的信息

里面的内容如下（部分）：

部分 class 文件内容，从上面图中，可以看到这些信息来自于 Student.class ，编译自 Student.java ，编译器的主版本号是 52，也就是 jdk1.8，这个类是 public ，然后是存放类中常量的常量池，各个方法的字节码等，这里就不一一记录了。

总之，我想说的就是字节码文件很简单很强大，它存放了这个类的各种信息：字段、方法、父类、实现的接口等各种信息。

2.Java 虚拟机的基本结构及其内存分区

Java 虚拟机要运行字节码指令，就要先加载字节码文件，谁来加载，怎么加载，加载到哪里……谁来运行，怎么运行，同样也要考虑……

上面是一个JVM的基本结构及内存分区的图，有点抽象，简单说明下：

JVM中把内存分为直接内存、方法区、Java栈、Java堆、本地方法栈、PC寄存器等。

• 直接内存：就是原始的内存区
• 方法区：用于存放类、接口的元数据信息，加载进来的字节码数据都存储在方法区
• Java栈：执行引擎运行字节码时的运行时内存区，采用栈帧的形式保存每个方法的调用运行数据
• 本地方法栈：执行引擎调用本地方法时的运行时内存区
• Java堆：运行时数据区，各种对象一般都存储在堆上
• PC寄存器：功能如同CPU中的PC寄存器，指示要执行的字节码指令。

JVM的功能模块主要包括类加载器、执行引擎和垃圾回收系统。

类加载器加载 Student.class 到内存

1. 类加载器会在指定的 classpath 中找到 Student.class 这个文件，然后读取字节流中的数据，将其存储在方法区中。
2. 会根据 Student.class 的信息建立一个 Class 对象，这个对象比较特殊，一般也存放在方法区中，用于作为运行时访问 Student 类的各种数据的接口。
3. 必要的验证工作，格式、语义等
4. 为 Student 中的静态字段分配内存空间，也是在方法区中，并进行零初始化，即数字类型初始化为 0 ，boolean 初始化为 false，引用类型初始化为 null 等。在 Student.java 中只有一个静态字段： privatestaticintcnt=5; 此时，并不会执行赋值为5的操作，而是将其初始化为0。
5. 由于已经加载到内存了，所以原来字节码文件中存放的部分方法、字段等的符号引用可以解析为其在内存中的直接引用了，而不一定非要等到真正运行时才进行解析。
6. 在编译阶段，编译器收集所有的静态字段的赋值语句及静态代码块，并按语句出现的顺序拼接出一个类初始化方法 <clinit>()。此时，执行引擎会调用这个方法对静态字段进行代码中编写的初始化操作。

在 Student.java 中关于静态字段的赋值及静态代码块有两处：

private static int cnt=5;static{    cnt++;}

将按出现顺序拼接，形式如下：

void <clinit>(){    cnt = 5;    cnt++;}

可以通过 jClassLib 这个工具看到生成的 <clinit>() 方法的字节码指令：

• iconst_5 ：指令把常数5入栈
• putstatic #6：将栈顶的5赋值给 Student.cnt 这个静态字段
• getstatic #6：获取Student.cnt这个静态字段的值，并将其放入栈顶
• iconst_1：把常数1入栈
• iadd：取出栈顶的两个整数，相加，结果入栈
• putstatic #6：取出栈顶的整数，赋值给Student.cnt
• return：从当前方法中返回，没有任何返回值。

从字节码来看，确实先后执行了 cnt=5 及 cnt++ 这两行代码。

在这里有一点要注意的是，这里笼统的描述了下类的加载及初始化过程，但是，实际中，有可能只进行了类加载，而没有进行初始化工作，原因就是在程序中并没有访问到该类的字段及方法等。

此外，实际加载过程也会相对来说比较复杂，一个类加载之前要加载它的父类及其实现的接口：加载的过程可以通过java –XX:+TraceClassLoading参数查看：

如： java-XX:+TraceClassLoadingStudent，信息太多，可以重定向下：

查看输出的 loadClass.txt 文件：

可以看到最先加载的是 Object.class 这个类，当然了，所有类的父类。

直到第 390 行才看到自己定义的部分被加载，先是 Studen t实现的接口 IStudyable ，然后是其父类 Person ，然后才是 Student 自身，然后是一个启动类的加载，然后就是找到 main() 方法，执行了。

执行引擎找到 main()

要了解方法的运行，需要先稍微了解下 java 栈：

JVM 中通过 java 栈，保存方法调用运行的相关信息，每当调用一个方法，会根据该方法的在字节码中的信息为该方法创建栈帧，不同的方法，其栈帧的大小有所不同。栈帧中的内存空间还可以分为3块，分别存放不同的数据：

• 局部变量表：存放该方法调用者所传入的参数，及在该方法的方法体中创建的局部变量。
• 操作数栈：用于存放操作数及计算的中间结果等。
• 其他栈帧信息：如返回地址、当前方法的引用等。

只有当前正在运行的方法的栈帧位于栈顶，当前方法返回，则当前方法对应的栈帧出栈，当前方法的调用者的栈帧变为栈顶；当前方法的方法体中若是调用了其他方法，则为被调用的方法创建栈帧，并将其压入栈顶。

注意：局部变量表及操作数栈的最大深度在编译期间就已经确定了，存储在该方法字节码的Code属性中。

简单查看 Student.main() 的运行过程

简单看下main()方法：

public static void main(String[] args){    Student s = new Student(23,"dqrcsc","20150723");    s.study(5,6);    Student.getCnt();    s.run();}

对应的字节码，两者对照着看起来更易于理解些：

注意main()方法的这几个信息：

• Mximum stack depth：指定当前方法即 main() 方法对应栈帧中的操作数栈的最大深度，当前值为5
• Maximum local variables：指定main()方法中局部变量表的大小，当前为2，及有两个slot用于存放方法的参数及局部变量。
• Code length：指定main()方法中代码的长度。

开始模拟main()中一条条字节码指令的运行：

创建栈帧：

局部变量表长度为 2，slot0 存放参数 args ，slot1 存放局部变量 Student s，操作数栈最大深度为 5。

new #7 指令：在 java 堆中创建一个 Student 对象，并将其引用值放入栈顶。

• dup指令：复制栈顶的值，然后将复制的结果入栈。
• bipush 23：将单字节常量值23入栈。
• ldc #8：将#8这个常量池中的常量即”dqrcsc”取出，并入栈。
• ldc #9：将#9这个常量池中的常量即”20150723”取出，并入栈。

invokespecial #10：调用#10这个常量所代表的方法，即Student.()这个方法

<init>() 方法，是编译器将调用父类的 <init>() 的语句、构造代码块、实例字段赋值语句，以及自己编写的构造方法中的语句整合在一起生成的一个方法。保证调用父类的 <init>() 方法在最开头，自己编写的构造方法语句在最后，而构造代码块及实例字段赋值语句按出现的顺序按序整合到 <init>() 方法中。

注意到 Student.<init>() 方法的最大操作数栈深度为 3，局部变量表大小为 4。

此时需注意：从 dup 到 ldc #9 这四条指令向栈中添加了4个数据，而Student.()方法刚好也需要4个参数：

public Student(int age, String name, String sid){    super(age,name);    this.sid = sid;}

虽然定义中只显式地定义了传入3个参数，而实际上会隐含传入一个当前对象的引用作为第一个参数，所以四个参数依次为this，age，name，sid。

上面的4条指令刚好把这四个参数的值依次入栈，进行参数传递，然后调用了Student.()方法，会创建该方法的栈帧，并入栈。栈帧中的局部变量表的第0到4个slot分别保存着入栈的那四个参数值。

创建 Studet.<init>() 方法的栈帧：

Student.()方法中的字节码指令：

• aload_0：将局部变量表slot0处的引用值入栈
• aload_1：将局部变量表slot1处的int值入栈
• aload_2：将局部变量表slot2处的引用值入栈

• invokespecial #1：调用Person.()方法，同调用Student.过程类似，创建栈帧，将三个参数的值存放到局部变量表等，这里就不画图了……

从Person.()返回之后，用于传参的栈顶的3个值被回收了。

• aload_0：将slot0处的引用值入栈。
• aload_3：将slot3处的引用值入栈。

• putfield #2：将当前栈顶的值”20150723”赋值给0x2222所引用对象的sid字段，然后栈中的两个值出栈。
• return：返回调用方，即main()方法，当前方法栈帧出栈。

重新回到main()方法中，继续执行下面的字节码指令：

astore_1：将当前栈顶引用类型的值赋值给slot1处的局部变量，然后出栈。

• aload_1：slot1处的引用类型的值入栈
• iconst5：将常数5入栈，int型常数只有0-5有对应的iconstx指令
• bipush 6：将常数6入栈

• invokevirtual #11：调用虚方法study()，这个方法是重写的接口中的方法，需要动态分派，所以使用了invokevirtual指令。

创建study()方法的栈帧：

最大栈深度3，局部变量表5

方法的java源码：

public int study(int a, int b){    int c = 10;    int d = 20;    return a+b*c-d;}

对应的字节码：

注意到这里，通过 jClassLib 工具查看的字节码指令有点问题，与源码有偏差……

改用通过命令 javap –v Student 查看 study() 的字节码指令：

• bipush 10：将10入栈
• istore_3：将栈顶的10赋值给slot3处的int局部变量，即c，出栈。
• bipush 20：将20入栈
• istore 4：将栈顶的20付给slot4处的int局部变量，即d，出栈。

上面4条指令，完成对c和d的赋值工作。

iload1、iload2、iload_3这三条指令将slot1、slot2、slot3这三个局部变量入栈：

• imul：将栈顶的两个值出栈，相乘的结果入栈：

• iadd：将当前栈顶的两个值出栈，相加的结果入栈
• iload 4：将slot4处的int型的局部变量入

• isub：将栈顶两个值出栈，相减结果入栈：
• ireturn：将当前栈顶的值返回到调用方。

重新回到main()方法中：

• pop指令，将study()方法的返回值出栈
• invokestatic #12 调用静态方法getCnt()不需要传任何参数
• pop：getCnt()方法有返回值，将其出栈
• aload_1：将slot1处的引用值入栈
• invokevirtual #13：调用0x2222对象的run()方法，重写自父类的方法，需要动态分派，所以使用invokevirtual指令
• return：main()返回，程序运行结束。

以上，就是一个简单程序运行的大致过程