1 概述

1.1 字节码文件的跨平台性

  1. Java语言：跨平台的语言
    1. 当Java源代码成功变异成字节码后，如果想在不同的平台上面运行，则无需再次编译
    2. 这个优势不再那么吸引人了。Python、PHP、Pper1、Ruby、Lisp等有强大的解释器。
    3. 跨平台似乎已经快成为一门语言必选的特性。
  2. Java虚拟机：跨语言的平台

Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定，它只与”Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联。无论使用何种语言运行软件开发，只要能将源文件编译为正确的Class文件，那么这种语言就可以在Java虚拟机上执行。可以说，统一而强大的Class文件结构，就是Java虚拟机的基石、桥梁。
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  • 所有的JVM全部遵守Java虚拟机规范，也就是说所有的JVM环境都是一样的。
  1. 想要让一个Java程序正常地运行在JVM中，Java源码就必须要被便以为符合JVM规范的字节码文件，
    1. 前端编译器的主要任务就是负责将符合Java语言规范的Java代码转换为符合JVM规范的字节码文件。
    2. javac是一种能够将Java源码编译为字节码的前端编译器。
    3. Javac编译在将Jjava源码编译为一个有效的字节码文件过程中经历了4个步骤，分别是词法解析、语法解析、语义解析以及生成字节码。

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Oracle的JDK软件包括两部分内容：

  • 一部分是将Java源代码编译成Java虚拟机的指令集的编译器
  • 另一部分是用于实现Java虚拟机的运行时环境。

    1.2 Java的前端编译器

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    前端编译器 VS 后端编译器

Java袁大妈的编译结构是字节码，那么肯定需要有一种编译器能够将Java源码编译为字节码，承担这个重要责任的就是配置在path环境变量中的javac编译器。javac是一种能够将Java源码编译为字节码的前端编译器。

HotSpot VM并没有强制要求前端编译器只能使用javac来编译字节码，其实只要编译结构符合JVM规范都可以被JVM所识别即可。在Java的前端编译器领域，除了javac之外，还有一种被大家经常用到的前端编译器，那就是内置在Eclipse中的ECJ(Eclipse Compoler for Java)编译器。和Javac的全量式编译不同，ECJ是一种增量式编译器。

  • 在Eclipse中，当开发人员编写完代码后，使用”ctrl + S”快捷键时，ECJ编译器所采取的编译方法是把未编译部分的源码逐行进行编译，而非每次都全量编译。因此ECJ的编译效率会比javac更加迅速和高效，当然编译质量相比大致还是一样的。
  • ECJ不仅是Eclipse的默认内置编译器，在Tomcat中同样也是适用ECJ编译器来编译jsp文件。由于ECJ编译器是采用GPLv2的开源协议进行源代码公开，所以，大家可以登录eclipse官网下载ECJ编译器的源码进行二次开发。
  • 默认情况下，IntelliJ IDEA适用javac编译器。(还可以自己设置AspectJ编译器 ajc)。

其实这里我们就知道每次IDEA运行java代码，感觉上比Eclipse慢一点，因此IDEA默认是全编译(javac)。

前端编译器并不会直接涉及编译优化等方面的技术，而是将这些具体优化细节移交给HotSpot的JIT编译器负责。

复习：AOT(静态提前编译器，Ahead of Time Compiler)
上面的JIT编译器，是在代码运行时编译的，这可以跨平台。
当然源码也可以提前编译成机器指令，但是呢？就失去跨平台的特性了。

1.3 透过字节码指令看代码细节

  1. BAT面试题

类文件结构有几部分？
知道字节码吗？字节码都有哪些？Integer x = 5; int y = 5; 比较x == y都经过哪些步骤？

  1. 代码举例

例子1

  1. // 要知道==比较的是地址！！！
  2. public class IntegerTest {
  3.     public static void main(String[] args) {
  4.         Integer x = 5;
  5.         int y = 5;
  6.         System.out.println(x == y); // true  这里比较true主要还是拆箱的原因
  8.         Integer i1 = 10;
  9.         Integer i2 = 10;
  10.         System.out.println(i1 == i2); // true  在范围内，都是引用数组中的
  12.         Integer i3 = 128;
  13.         Integer i4 = 128;
  14.         System.out.println(i3 == i4); // false; // 这两个都是创建的新的对象
  15.     }
  16. }

// 对应的字节码文件

  1.  0 iconst_5   // 将5放入操作数栈
  2.  1 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf> // 装箱，调用了Integer.valueOf方法，下面有源码
  3.  4 astore_1
  4.  5 iconst_5
  5.  6 istore_2
  6.  7 getstatic #3 <java/lang/System.out>
  7. 10 aload_1
  8. 11 invokevirtual #4 <java/lang/Integer.intValue>
  9. 14 iload_2
  10. 15 if_icmpne 22 (+7)
  11. 18 iconst_1
  12. 19 goto 23 (+4)
  13. 22 iconst_0
  14. 23 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
  15. 26 bipush 10
  16. 28 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  17. 31 astore_3
  18. 32 bipush 10
  19. 34 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  20. 37 astore 4
  21. 39 getstatic #3 <java/lang/System.out>
  22. 42 aload_3
  23. 43 aload 4
  24. 45 if_acmpne 52 (+7)
  25. 48 iconst_1
  26. 49 goto 53 (+4)
  27. 52 iconst_0
  28. 53 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
  29. 56 sipush 128
  30. 59 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  31. 62 astore 5
  32. 64 sipush 128
  33. 67 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  34. 70 astore 6
  35. 72 getstatic #3 <java/lang/System.out>
  36. 75 aload 5
  37. 77 aload 6
  38. 79 if_acmpne 86 (+7)
  39. 82 iconst_1
  40. 83 goto 87 (+4)
  41. 86 iconst_0
  42. 87 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
  43. 90 return
  1. public static Integer valueOf(int i) {
  2.         if (i >= IntegerCache.low && i <= IntegerCache.high)
  3.             return IntegerCache.cache[i + (-IntegerCache.low)];
  4.         return new Integer(i);
  5.     }
  6. // 这个是Integer的valueOf方法，大概知道如果这个数在-128到127之间，则会引用一个数组中的值的地址
  7. // 其它的会创建一个新的对象

例子2

  1. public class IntegerTest {
  2.     public static void main(String[] args) {
  3.         String str = new String("hello") + new String("world");
  4.         String str1 = "helloworld";
  5.         System.out.println(str == str1); // false
  6.         String str2 = new String("helloworld");
  7.         System.out.println(str == str2); // false
  8.     }
  9. }

这个前面已经解释过了，对于str是指向堆中的new String（toString方法来的）。而str1是指向字符串常量池中的。
str2也是指向堆中的new String，但是和tr是不同的对象。
例子3
先来一个简单的

  1. class Father {
  2.     int x = 10;
  4.     public Father() {
  5.         this.print();
  6.         x = 20;
  7.     }
  8.     public void print() {
  9.         System.out.println("Father.x = " + x);
  10.     }
  11. }
  13. public class SonTest {
  14.     public static void main(String[] args) {
  15.         Father f = new Son();
  17.     }
  18. }

上面这个代码执行后，控制台打印什么？？Father.x = 10
为什么？对于(非静态的)成员变量初始化：1.默认初始化、2.显式初始化 / 代码块中初始化(按顺序)、3.构造器中初始化、4.有了对象之后，可以”对象.属性”或对象.方法的方式对成员变量进行赋值。

下面看这个

  1. class Father {
  2.     int x = 10;
  4.     public Father() {
  5.         this.print();
  6.         x = 20;
  7.     }
  8.     public void print() {
  9.         System.out.println("Father.x = " + x);
  10.     }
  11. }
  13. class Son extends Father {
  14.     int x = 30;
  15.     public Son() {
  16.         this.print();
  17.         x = 40;
  18.     }
  19.     public void print() {
  20.         System.out.println("Son.x = " + x);
  21.     }
  22. }
  24. public class SonTest {
  25.     public static void main(String[] args) {
  26.         Father f = new Son();
  27.         System.out.println(f.x);
  29.     }
  30. }

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运行结果
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我们讲一下过程：首先new Son()时(要实例化Son)，父类要先初始化，
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则父类先给x赋值为0，再赋值为10，再在构造函数中赋值为20.但是注意这里在赋值20前调用了print方法，这个print方法应该是调用的子类的print方法，这个要注意，因此打印出来的是Sson.x = 0；
再然后x赋值为20，再然后子类实例化，自然打印出来是Son.x = 30.
最后输出是f.x = 10，因为属性没有多态。

2 虚拟机的基石：Class文件

  • 字节码文件里是什么？

源代码经过编译器编译之后便会生成一个字节码文件，字节码是一种二进制的类文件，它的内容是JVM的指令，而不像C、C++经由编译器直接生成机器码。

  • 什么是字节码指令(byte code)?

Java虚拟机的指令是由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的操作码(opcode)以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数的操作数(operand)。虚拟机中许多指令并不包含操作数，只有一个操作码。
比如：操作码 (操作数)

  1.  0 iconst_5
  2.  1 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  3.  4 astore_1
  4.  5 iconst_5
  5.  6 istore_2
  6.  7 getstatic #3 <java/lang/System.out>
  7. 10 aload_1
  8. 11 invokevirtual #4 <java/lang/Integer.intValue>
  9. 14 iload_2
  10. 15 if_icmpne 22 (+7)
  11. 18 iconst_1
  12. 19 goto 23 (+4)
  13. 22 iconst_0
  14. 23 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
  15. 26 bipush 10
  16. 28 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  17. 31 astore_3
  18. 32 bipush 10
  19. 34 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  20. 37 astore 4
  21. 39 getstatic #3 <java/lang/System.out>
  22. 42 aload_3
  23. 43 aload 4
  24. 45 if_acmpne 52 (+7)
  25. 48 iconst_1
  26. 49 goto 53 (+4)
  27. 52 iconst_0
  28. 53 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
  29. 56 sipush 128
  30. 59 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  31. 62 astore 5
  32. 64 sipush 128
  33. 67 invokestatic #2 <java/lang/Integer.valueOf>
  34. 70 astore 6
  35. 72 getstatic #3 <java/lang/System.out>
  36. 75 aload 5
  37. 77 aload 6
  38. 79 if_acmpne 86 (+7)
  39. 82 iconst_1
  40. 83 goto 87 (+4)
  41. 86 iconst_0
  42. 87 invokevirtual #5 <java/io/PrintStream.println>
  43. 90 return
  • 如何解读供虚拟机解释执行的二进制字节码？

方式一：一个一个二进制的看。这里用到的是Notepad++，需要安装一个HEX-Editor插件，或者使用Binary Viewer。
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方式二：使用javap指令，jdk自带的反解析工具
方式三：使用IDEA插件：jclasslib或jclasslib bytecode viewer客户端工具。(可视化更好)
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3 Class文件结构

  • Class类的本质

任何一个Class文件都对应着唯一一个类或接口的定义信息，但反过来说，Class文件实际上并不一定以磁盘文件的形式存在。Class文件是一组以8位字节为基础单位的二进制流。

  • Class文件格式

Class的结构不像XML等描述语言，由于它没有任何分隔符号。所以在其中的数据项，无论是字节顺序还是数量，都是被严格限定的，哪个字节代表什么含义，长度是多少，先后顺序如何，都不允许改变。

Class文件格式采用一种类似于CC语言结构体的方式进行数据村粗，这种结构只有两种数据类型：无符号数和表。

  • 无符号数属于基本的数据类型，以u1、u2、u4、u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节和8个字节的无符号数，无符号数可以用来描述数字、索引引用、数量值或者按照UTF-8编码构成字符串值。
  • 表是由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的符合数据类型，所以表都习惯性地以”_info”结尾。表用于描述有层次关系的符合结构的数据，整个Class文件本质上就是一张表。由于表没有固定长度，所以通常会在其前面加上个数说明。

Class文件的结构并不是一成不变的，随着Java虚拟机的不断发展，总是不可避免地会对Class文件结构做出一些调整，但是其基本结构和框架是非常稳定的。
Class文件的总体结构如下：

  1. 魔数
  2. Class文件版本
  3. 常量池
  4. 访问标志
  5. 类索引，父类索引，接口索引集合
  6. 字段表集合
  7. 方法表集合
  8. 属性表集合

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这是一张Java字节码总的结构表，我们按照上面的顺序逐一进行解读就可以了。

下面就以这个简单代码讲解：

  1. public class Demo {
  2.     private int num = 1;
  4.     public int add() {
  5.         num = num + 2;
  6.         return num;
  7.     }
  8. }

经过编译后获得字节码文件的二进制流为：
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后面是导入到Excel中。
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3.1 魔数：Class文件的标志

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3.2 Class文件版本号

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我们上面字节码中主版本是34，其是16进制的，对应的十进制就是52，因此其对应的编译器是1.8，即JDK8编译器编译的。

3.3 常量池：存放所有常量

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3.3.1 常量池计数器

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3.3.2 常量池表

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常量池表中主要是字面量和符号引用，是因为大部分是这两个，在idk7之后为了支持动态语言特性，新增了三个。

3.3.2.1 字面量和符号引用

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3.3.2.2 常量类型和结构

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3.4 访问标志

3.5 类索引、父类索引、接口索引集合

3.6 字段表集合

3.6.1 字段计数器

3.6.2 字段表

3.7 方法表集合

3.7.1 方法计数器

3.7.2 方法表

3.8 属性表集合

3.8.1 属性计数器

3.8.2 属性表

3.9 小结

4 使用javap指令解析Class文件

4.1 javap的用法

4.2 使用举例

4.3 总结