JAVA程序运行原理分析

IT架构圈

发布于 2019-11-11 17:27:53

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作为JAVA的开发人员，需要知道JAVA是如何运行的，这个需要好好思考下。

（一）class文件内容

class文件包含JAVA程序执行的字节码，也就是说程序的执行是通过class里面的内容进行执行的。class文件内的信息严格按照一定的格式（虚拟机规范中的格式），紧凑排列在class文件中的二进制流，中间无任何分隔符。

① 分析class文件内的内容

文件开头有一个0xcafebabe 16进制的特殊的标志，cafebabe就是java的class的标识。

整个class文件很多很多的内容，用肉眼肯定是无法分辨的，

② class包含的内容

这个文件是有复杂格式，专门有JVM读里面的内容，方便阅读源码。

1.版本

源代码是由java的哪个版本的编译的。

2.访问标志

这个类是public 还是private 。

3.常量池

常量哪些。

4.当前类

当前类的名称，类的信息。

5.超级类

被继承的类，类信息。

6.接口

实现的接口是什么？

7.字段

8.方法

9.属性

（二）JVM运行时数据区

java 源代码编译后生成 class字节码，然后被加载到JVM运行时数据区里面

① 方法区

存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。虚拟机规范中的一个逻辑区域（没有硬性的规定）。具体实现是根据不同的虚拟机来实现的。
如 oracle的Hotspot在java7中方法区放入永久代，java8放在元数据空间，并且通过GC机制对这个区域进行管理。

② 堆

对象，垃圾回收，都是在堆中。堆内存还可以细分为：老年代，新生代（Eden，From Survivor，To Survivor） JVM启动时就创建了，存放对象的实例，垃圾回收期主要就是管理堆内存，内存满了，就会出现OutOfMemroyEorror，后续在内存模型中，详细讲解。

③ 虚拟机栈

Java方法执行的内存模型：每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（Stack Frame）用于存储局部变量表、操作数栈、动态链接、方法出口等信息。一个方法对应一个栈帧。栈内存默认最大是1M，超出则抛出StackOverflowError。计算，保存一些信息都是在栈里面。

④ 本地方法栈

和java虚拟机栈类似，不同的是其为Native方法服务。它跟java虚拟机栈的区别就是执行的方法不同。

⑤ 程序计数器

当前线程所执行的字节码的行号指示器，每个线程都有一个独立的程序计数器。每个线程都在这个控件有一个私有的空间，占用内存空间很少。CPU同一时间，只会执行一个线程中的指令。JVM多线程会轮流切换并分配CPU执行时间的方式。为了线程切换后，需要通过程序计数器，来回复正确的执行位置。
学习java，学习jvm，了解JVM运行时数据区，这些就够了，下面【执行引擎】，【本地库接口】，【本地方法库】都是根据不同的操作系统，不同的平台，做了JVM的适配，例如：linux，windows的执行引擎，本地库接口都有一些的不同，JVM的目的就是一处编写导出的运行，作为开发人员掌握在执行引擎之上。

⑥ 线程独占

每个线程都会有它独立的空间，随着生命周期而创建和消亡。【虚拟机栈，本地方法栈，程序计数器。】。

⑦ 线程共享

所有线程能访问这块内存数据，随着虚拟机或者GC而创建和消亡。【方法区，堆】。对象就是放入了堆中，也就是线程共享的。

（三）查看class文件内容

① 找个例子

public class Demo1{
    public static void main(String[] args){
        int x = 600;
        int y = 100;
        int a = x / y;
        int b = 60;
        System.out.println(a + b);
    }
}

②执行下面的命令

使用Demo1.java进行测试，编译成class，完整的javap命令的解析结果

javac Demo1.java

// javap查看内容，说出Demo1.class所有的信息， 【>】意思是输入到一个Demo1.txt文件
javap -v Demo1.class > Demo1.txt

java -version

③ 版本号、访问控制

flags: ACC PUBLIC，ACC SUPER

④ 常量池

这个常量池指的类里面包含的静态常量，编译这个类需要用到的常量，类的名称类信息里面也是个常量，类本身需要用到的常量。

⑤ 构造方法

之前类并没有定义对应的构造方法，但是通过javap之后内部存在一个无参的构造方法。由此可见，没有定义构造函数时，会有隐式的无参构造函数。

⑥ 程序入口main方法

描述了方法的：访问控制，本地变量的数目，参数的数量，方法对应栈帧中操作的数栈的深度，JVM执行引擎去执行这些代码编译过后的指令码，javap翻译出来的操作符，class文件内存储的是指令码，前面的数字，是偏移量，jvm根据这个去区分不同的指令。工具叫【JVM指令码表】进行查阅查看具体指令的含义。

（三）程序完整运行分析

① 编译加载到方法区

编译加载到方法区，最后加载Demo1，其实一个JVM运行不止是一个Demo1，涉及到很多很多的类，会将所有的类信息存放到方法区里面，运行的一些常量会放在常量池里面，1.7和之前称为永久代，1.8开始称为元数据空间。

② 类加载进去，创建对象运行

类已经加载进去了，需要创建一个对象来进行运行，运行代码JVM创建线程来执行这些代码，一定是创建线程，需要配合【虚拟机栈】和【程序计数器】分配响应的空间，这里不涉及到本地代码因为咱们都是在JVM里面，Thread有一个独占的空间，其他区域有其他线程占领，【程序计数器】对应了字节码指令的地址。

③ main方法

线程独占空间，【程序计数器】标注当前这个线程执行到得位置记录下来有对应的序号，虚拟机栈里面开辟了一个空间，一个栈有多个栈帧组成，方法对应的一些操作，线程就是取一个或者多个，其实线程就是对应了一个或者多个栈帧，main方法的入口，也就是程序的入口，main方法栈帧包含本地变量表，操作数栈，Demo1 里面一共有5个变量，老铁可能问不是4个吗，哪里来了5个，因为main方法里面的String[] args也是一个啊。
解析方法，看不懂对照【JVM指令码表】

         0: sipush        600     #将600这个数值压入到操作数栈，栈从下往上
         3: istore_1                #将操作栈顶保存到本地变量表1，移除操作栈
         4: bipush        100     #将 600这个数值保存后，将100放入操作数栈
         6: istore_2                #操作数栈栈顶100 保存到本地变量表2上。
         7: iload_1                 # 读取本地变量1，压入操作数栈1
         8: iload_2                 # 读取本地变量2，压入操作数栈，它变成位置1了，前一个操作数栈位置变成2了
         9: idiv                       # 将栈顶两int类型数相除，结果入栈600/100 = 6，原来操作数栈里面的100,600都移除。
        10: istore_3              # 操作数栈栈顶6，保存到本地变量表3上。
        11: bipush        60     #将 60这个数值保存后，将60放入操作数栈。
        13: istore        4         #  将60放入操作数栈，放入本地变量表4的位置上。
        15: getstatic     #2      # 取货类或者接口字段的值并将其推入操作数栈，#2对应常量中，#2放入栈顶。
        18: iload_3               #将本地变量3去取出压入操作数栈
        19: iload         4        # 将本地变量4取出来压入操作数栈
        21: iadd                   # 将栈顶两个int类型数相加，结果入栈。
        22: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
       # 调用静态方法，新的一个方法，那个main方法不跑了，jvm会根据这个方法的描述，创建新栈帧，方法和操作从操作数栈中弹出来，压入虚拟机栈，然后虚拟机会开始执行虚拟机栈最上边的栈帧，执行完毕后，再继续执行main方法对应的栈帧。
        25: return   # void函数返回，main方法执行结果。