1. 类文件结构

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello world");
    }
}

ruanrenzhao@MacBook-Pro constantpool % od -t xC HelloWorld.class  
0000000    ca  fe  ba  be  00  00  00  34  00  1f  0a  00  06  00  11  09
0000020    00  12  00  13  08  00  14  0a  00  15  00  16  07  00  17  07
0000040    00  18  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  04  6d  61  69
0000120    6e  01  00  16  28  5b  4c  6a  61  76  61  2f  6c  61  6e  67
0000140    2f  53  74  72  69  6e  67  3b  29  56  01  00  10  4d  65  74
0000160    68  6f  64  50  61  72  61  6d  65  74  65  72  73  01  00  04
0000200    61  72  67  73  01  00  0a  53  6f  75  72  63  65  46  69  6c
0000220    65  01  00  0f  48  65  6c  6c  6f  57  6f  72  6c  64  2e  6a
0000240    61  76  61  0c  00  07  00  08  07  00  19  0c  00  1a  00  1b
0000260    01  00  0b  68  65  6c  6c  6f  20  77  6f  72  6c  64  07  00
0000300    1c  0c  00  1d  00  1e  01  00  37  6f  72  67  2f  6d  61  73
0000320    74  65  72  79  6f  75  72  73  65  6c  66  2f  74  75  74  6f
0000340    72  69  61  6c  2f  6a  76  6d  2f  63  6f  6e  73  74  61  6e
0000360    74  70  6f  6f  6c  2f  48  65  6c  6c  6f  57  6f  72  6c  64
0000400    01  00  10  6a  61  76  61  2f  6c  61  6e  67  2f  4f  62  6a
0000420    65  63  74  01  00  10  6a  61  76  61  2f  6c  61  6e  67  2f
0000440    53  79  73  74  65  6d  01  00  03  6f  75  74  01  00  15  4c
0000460    6a  61  76  61  2f  69  6f  2f  50  72  69  6e  74  53  74  72
0000500    65  61  6d  3b  01  00  13  6a  61  76  61  2f  69  6f  2f  50
0000520    72  69  6e  74  53  74  72  65  61  6d  01  00  07  70  72  69
0000540    6e  74  6c  6e  01  00  15  28  4c  6a  61  76  61  2f  6c  61
0000560    6e  67  2f  53  74  72  69  6e  67  3b  29  56  00  21  00  05
0000600    00  06  00  00  00  00  00  02  00  01  00  07  00  08  00  01
0000620    00  09  00  00  00  1d  00  01  00  01  00  00  00  05  2a  b7
0000640    00  01  b1  00  00  00  01  00  0a  00  00  00  06  00  01  00
0000660    00  00  0c  00  09  00  0b  00  0c  00  02  00  09  00  00  00
0000700    25  00  02  00  01  00  00  00  09  b2  00  02  12  03  b6  00
0000720    04  b1  00  00  00  01  00  0a  00  00  00  0a  00  02  00  00
0000740    00  0f  00  08  00  10  00  0d  00  00  00  05  01  00  0e  00
0000760    00  00  01  00  0f  00  00  00  02  00  10                    
0000773

u4              magic
u2             minor_version;    
u2             major_version;    
u2             constant_pool_count;    
cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];    
u2             access_flags;    
u2             this_class;    
u2             super_class;   
u2             interfaces_count;    
u2             interfaces[interfaces_count];   
u2             fields_count;    
field_info     fields[fields_count];   
u2             methods_count;    
method_info    methods[methods_count];    
u2             attributes_count;    
attribute_info attributes[attributes_count];

2. 字节码指令

2.1 javap 工具

javap -v HelloWorld.class

2.2 图解执行流程

public class ByteCodeAnalysis {
    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        int b = Short.MAX_VALUE + 1;
        int c = a + b;
        System.out.println(c);
    }
}

ruanrenzhao@MacBook-Pro bytecode % javap -v ByteCodeAnalysis.class 
// 类的基本信息
Classfile /Users/ruanrenzhao/IdeaProjects/masteryourself/tutorial/tutorial-java/tutorial-jvm/target/classes/org/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/ByteCodeAnalysis.class
  Last modified 2022-5-4; size 692 bytes
  MD5 checksum 248004ee67b49c826cda4281b2cba3b8
  Compiled from "ByteCodeAnalysis.java"
public class org.masteryourself.tutorial.jvm.bytecode.ByteCodeAnalysis
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
// 常量池
Constant pool:
   #1 = Methodref          #7.#25         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #26            // java/lang/Short
   #3 = Integer            32768
   #4 = Fieldref           #27.#28        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #5 = Methodref          #29.#30        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #6 = Class              #31            // org/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/ByteCodeAnalysis
   #7 = Class              #32            // java/lang/Object
   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               Code
  #11 = Utf8               LineNumberTable
  #12 = Utf8               LocalVariableTable
  #13 = Utf8               this
  #14 = Utf8               Lorg/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/ByteCodeAnalysis;
  #15 = Utf8               main
  #16 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #17 = Utf8               args
  #18 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               a
  #20 = Utf8               I
  #21 = Utf8               b
  #22 = Utf8               c
  #23 = Utf8               SourceFile
  #24 = Utf8               ByteCodeAnalysis.java
  #25 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V
  #26 = Utf8               java/lang/Short
  #27 = Class              #33            // java/lang/System
  #28 = NameAndType        #34:#35        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #29 = Class              #36            // java/io/PrintStream
  #30 = NameAndType        #37:#38        // println:(I)V
  #31 = Utf8               org/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/ByteCodeAnalysis
  #32 = Utf8               java/lang/Object
  #33 = Utf8               java/lang/System
  #34 = Utf8               out
  #35 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #36 = Utf8               java/io/PrintStream
  #37 = Utf8               println
  #38 = Utf8               (I)V
// 类的方法定义（包含虚拟机指令）
{
  public org.masteryourself.tutorial.jvm.bytecode.ByteCodeAnalysis();
    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 12: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lorg/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/ByteCodeAnalysis;
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: ldc           #3                  // int 32768
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 15: 0
        line 16: 3
        line 17: 6
        line 18: 10
        line 19: 17
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      18     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      15     1     a   I
            6      12     2     b   I
           10       8     3     c   I
}
SourceFile: "ByteCodeAnalysis.java"

2.2.1 常量池载入运行时常量池（这里只列举部分）

2.2.2 方法字节码载入方法区

2.2.3 main 线程开始运行，分配栈帧内存

stack=2, locals=4, args_size=1

2.2.4 执行引擎开始执行字节码

运行时栈帧中存储了以下内容

局部变量
操作数栈
动态链接
返回地址
附加信息

1. 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
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

2. istore_1
将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1

3. 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

4. istore_2

5. iload_1

6. iload_2

7. iadd

8. istore_3

9. getstatic #4

10. iload_3

11. invokeevirtual #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

执行完毕，弹出栈帧
清除 main 操作数栈内容

12. return
完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧
程序结束

2.3 i++ 问题字节码分析
```java public class IncAnalysis {

public static void main(String[] args) {
```
  int a = 10;
  int b = a++ + ++a + a--;
  // 11
  System.out.println(a);
  // 34
  System.out.println(b);
```
}

}

```java
{
  public org.masteryourself.tutorial.jvm.bytecode.IncAnalysis();
    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 12: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lorg/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/IncAnalysis;
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         // 将 10 压入操作数栈
         0: bipush        10
         // 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1（10）
         2: istore_1
         // 从局部变量表的 slot 1 加载数据到操作数栈中（10）
         3: iload_1
         // 注意 iinc 指令是直接在局部变量 slot 上进行计算，不需要经过操作数栈（此时 slot 1 数据为 11）
         4: iinc          1, 1
         // 注意 iinc 指令是直接在局部变量 slot 上进行计算，不需要经过操作数栈（此时 slot 1 数据为 12）
         7: iinc          1, 1
         // 从局部变量表的 slot 1 加载数据到操作数栈中（12）
        10: iload_1
        // 在操作数栈上进行加法运算（结果是 22）
        11: iadd
        // 从局部变量表的 slot 1 加载数据到操作数栈中（12）
        12: iload_1
        // 注意 iinc 指令是直接在局部变量 slot 上进行计算，需要经过操作数栈（此时 slot 1 数据为 11）
        13: iinc          1, -1
        // 在操作数栈上进行加法运算（结果是 34）
        16: iadd
        // 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 2（34）
        17: istore_2
        18: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        21: iload_1
        // 打印 slot 1（a） 的结果为 11
        22: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        25: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        28: iload_2
        // 打印 slot 2（b） 的结果为 34
        29: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        32: return
      LineNumberTable:
        line 15: 0
        line 16: 3
        line 17: 18
        line 18: 25
        line 19: 32
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      33     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      30     1     a   I
           18      15     2     b   I
}

2.4 条件判断指令

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

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
     // 将常量 0 压入操作数栈中
     0: iconst_0
     // 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1（赋值给 a）
     1: istore_1
     // 从局部变量表的 slot 1 加载数据到操作数栈中
     2: iload_1
     // 判断是否 !=0，如果是跳转到 12 行
     3: ifne          12
     // 将 10 压入操作数栈中
     6: bipush        10
     // 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1（赋值给 a）
     8: istore_1
     // 跳转到 15 行结束程序
     9: goto          15
     // 将 20 压入操作数栈中
    12: bipush        20
    // 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1（赋值给 a）
    14: istore_1
    15: return

2.5 循环控制指令

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

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
     0: iconst_0
     1: istore_1
     2: iload_1
     3: bipush        10
     // 判断两个 int 是否 >=，如果是跳转到 14 行结束程序
     5: if_icmpge     14
     // 如果不是，在局部变量表上进行 iinc 操作
     8: iinc          1, 1
     // 注意这里是跳转到第 2 行，重新从局部变量上读取数据然后与 10 进行比较
    11: goto          2
    14: return

2.6 构造方法

2.6.1 `<cinit>()V`

public class StaticConstructAnalysis {
    static int i = 10;
    static {
        i = 20;
    }
    static {
        i = 30;
    }
}

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

static {};
  Code:
     0: bipush        10
     2: putstatic     #2                  // Field i:I
     5: bipush        20
     7: putstatic     #2                  // Field i:I
    10: bipush        30
    12: putstatic     #2                  // Field i:I
    15: return

2.6.2 `<init>()V`

public class ConstructAnalysis {
    private String a = "s1";
    {
        b = 20;
    }
    private int b = 10;
    {
        a = "s2";
    }
    public ConstructAnalysis(String a, int b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }
    public static void main(String[] args) {
        ConstructAnalysis d = new ConstructAnalysis("s3", 30);
        // s3
        System.out.println(d.a);
        // 30
        System.out.println(d.b);
    }
}

编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} 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

public org.masteryourself.tutorial.jvm.bytecode.ConstructAnalysis(java.lang.String, int);
  Code:
     0: aload_0
     1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
     4: aload_0
     5: ldc           #2                  // String s1
     7: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
    10: aload_0
    11: bipush        20
    13: putfield      #4                  // Field b:I
    16: aload_0
    17: bipush        10
    19: putfield      #4                  // Field b:I
    22: aload_0
    23: ldc           #5                  // String s2
    25: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
    28: aload_0
    29: aload_1
    30: putfield      #3                  // Field a:Ljava/lang/String;
    33: aload_0
    34: iload_2
    35: putfield      #4                  // Field b:I
    38: return

2.7 方法调用

public class MethodInvokeAnalysis {
    public MethodInvokeAnalysis() {
    }
    private void test1() {
    }
    private final void test2() {
    }
    public void test3() {
    }
    public static void test4() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        MethodInvokeAnalysis d = new MethodInvokeAnalysis();
        d.test1();
        d.test2();
        d.test3();
        d.test4();
        MethodInvokeAnalysis.test4();
    }
}

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

public static void main(java.lang.String[]);
  Code:
     0: new           #2                  // class org/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/MethodInvokeAnalysis
     3: dup
     4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
     7: astore_1
     8: aload_1
     9: invokespecial #4                  // Method test1:()V
    12: aload_1
    13: invokespecial #5                  // Method test2:()V
    16: aload_1
    17: invokevirtual #6                  // Method test3:()V
    20: aload_1
    21: pop
    22: invokestatic  #7                  // Method test4:()V
    25: invokestatic  #7                  // Method test4:()V
    28: return

2.8 多态原理

因为普通成员方法需要在运行时才能确定具体的内容，所以虚拟机需要调用 invokevirtual 指令

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

2.9 异常原理

2.9.1 try catch
```java public class TryCatchAnalysis {

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

}

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
```java
public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  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:
      line 15: 0
      line 17: 2
      line 20: 5
      line 18: 8
      line 19: 9
      line 21: 12
    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
    StackMapTable: number_of_entries = 2
      frame_type = 255 /* full_frame */
        offset_delta = 8
        locals = [ class "[Ljava/lang/String;", int ]
        stack = [ class java/lang/Exception ]
      frame_type = 3 /* same */

2.9.2 多个 single catch

public class MultiSingleCatchAnalysis {
    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;
        }
    }
}

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

public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  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:
      line 15: 0
      line 17: 2
      line 24: 5
      line 18: 8
      line 19: 9
      line 24: 12
      line 20: 15
      line 21: 16
      line 24: 19
      line 22: 22
      line 23: 23
      line 25: 26
    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
    StackMapTable: number_of_entries = 4
      frame_type = 255 /* full_frame */
        offset_delta = 8
        locals = [ class "[Ljava/lang/String;", int ]
        stack = [ class java/lang/ArithmeticException ]
      frame_type = 70 /* same_locals_1_stack_item */
        stack = [ class java/lang/NullPointerException ]
      frame_type = 70 /* same_locals_1_stack_item */
        stack = [ class java/lang/Exception ]
      frame_type = 3 /* same */

2.9.3 multi catch

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

public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
    stack=3, locals=2, args_size=1
       0: ldc           #2                  // class org/masteryourself/tutorial/jvm/bytecode/ex/MultiCatchAnalysis
       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:
      line 19: 0
      line 20: 12
      line 23: 22
      line 21: 25
      line 22: 26
      line 24: 30
    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;
    StackMapTable: number_of_entries = 2
      frame_type = 89 /* same_locals_1_stack_item */
        stack = [ class java/lang/ReflectiveOperationException ]
      frame_type = 4 /* same */
public static void test();
  descriptor: ()V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
    stack=2, locals=0, args_size=0
       0: getstatic     #12                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
       3: ldc           #13                 // String ok
       5: invokevirtual #14                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
       8: return
    LineNumberTable:
      line 27: 0
      line 28: 8

2.9.4 finally

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

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

public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
    stack=1, locals=4, args_size=1
       0: iconst_0
       1: istore_1
       2: bipush        10
       4: istore_1
       5: bipush        30
       7: istore_1
       8: goto          27
      11: astore_2
      12: bipush        20
      14: istore_1
      15: bipush        30
      17: istore_1
      18: goto          27
      21: astore_3
      22: bipush        30
      24: istore_1
      25: aload_3
      26: athrow
      27: return
    Exception table:
       from    to  target type
           2     5    11   Class java/lang/Exception
           2     5    21   any
          11    15    21   any
    LineNumberTable:
      line 15: 0
      line 17: 2
      line 21: 5
      line 22: 8
      line 18: 11
      line 19: 12
      line 21: 15
      line 22: 18
      line 21: 21
      line 22: 25
      line 23: 27
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
         12       3     2     e   Ljava/lang/Exception;
          0      28     0  args   [Ljava/lang/String;
          2      26     1     i   I
    StackMapTable: number_of_entries = 3
      frame_type = 255 /* full_frame */
        offset_delta = 11
        locals = [ class "[Ljava/lang/String;", int ]
        stack = [ class java/lang/Exception ]
      frame_type = 73 /* same_locals_1_stack_item */
        stack = [ class java/lang/Throwable ]
      frame_type = 5 /* same */

2.10 synchronized

方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

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

public static void main(java.lang.String[]);
  descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
  Code:
    stack=2, locals=4, args_size=1
       0: new           #2                  // class java/lang/Object
       3: dup
       4: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: dup
      10: astore_2
      // 正常加锁 + 解锁
      11: monitorenter
      12: getstatic     #3                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      15: ldc           #4                  // String ok
      17: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
      20: aload_2
      21: monitorexit
      22: goto          30
      // 异常解锁
      25: astore_3
      26: aload_2
      27: monitorexit
      28: aload_3
      29: athrow
      30: return
    Exception table:
       // 12~22 或者 25~28 行出现任何异常，都会跳转到 25 行
       from    to  target type
          12    22    25   any
          25    28    25   any
    LineNumberTable:
      line 15: 0
      line 16: 8
      line 17: 12
      line 18: 20
      line 19: 30
    LocalVariableTable:
      Start  Length  Slot  Name   Signature
          0      31     0  args   [Ljava/lang/String;
          8      23     1  lock   Ljava/lang/Object;
    StackMapTable: number_of_entries = 2
      frame_type = 255 /* full_frame */
        offset_delta = 25
        locals = [ class "[Ljava/lang/String;", class java/lang/Object, class java/lang/Object ]
        stack = [ class java/lang/Throwable ]
      frame_type = 250 /* chop */
        offset_delta = 4

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

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

3.1 默认构造器

public class Candy1 {
}
// 编译成 class 后的代码
public class Candy1 {
   // 这个无参构造器是java编译器帮我们加上的
   public Candy1() {
      // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用 java/lang/Object." <init>":()V
      super();
   }
}

3.2 自动拆装箱

这个特性是 JDK 5 开始加入的

public class Candy2 {
   public static void main(String[] args) {
      Integer x = 1;
      int y = x;
   }
}
// 等价于
public class Candy2 {
   public static void main(String[] args) {
      //基本类型赋值给包装类型，称为装箱
      Integer x = Integer.valueOf(1);
      //包装类型赋值给基本类型，称谓拆箱
      int y = x.intValue();
   }
}

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 Candy3 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        // 实际调用的是 List.add(Object e)
        list.add(10); 
        // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);
        Integer x = list.get(0); 
    }
}

泛型擦除的是字节码上的泛型信息，但方法入参和返回值的泛型依旧可以获取

public class GenericInfo {
    public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {
        return null;
    }
    /**
     * 输出结果:
     * 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
     */
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Method test = GenericInfo.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]);
                }
            }
        }
    }
}

3.4 可变参数

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

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

public class Candy4 {
    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");
    }
}
// 等价于
public class Candy4 {
    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"});
    }
}

3.5 foreach 循环

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 ）

public class Candy5_1 {
    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 f
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}
// 等价于
public class Candy5_1 {
    public Candy5_1 {}
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};
        for(int i=0; i<arr.length; ++i) {
            int x = arr[i];
            System.out.println(x);
        }
    }
}

public class Candy5_2 {
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);
        for (Integer i : list) {
            System.out.println(i);
        }
    }
}
// 等价于
public class Candy5_2 {
    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);
        }
    }
}

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

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为 null，因为会调用对象的某些方法进行转换

public class Candy6_1 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}
// 转换后
public class Candy6_1 {
    public Candy6_1() {
    }
    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch (str.hashCode()) {
            case 99162322: // hello 的 hashCode 
                if (str.equals("hello")) {
                    x = 0;
                }
                break;
            case 113318802: // world 的 hashCode 
                if (str.equals("world")) {
                    x = 1;
                }
        }
        switch (x) {
            case 0:
                System.out.println("h");
                break;
            case 1:
                System.out.println("w");
        }
    }
}

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 Candy6_2 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "BM": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "C.": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}
// 转换后
public class Candy6_2 {
    public Candy6_2() {
    }
    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch (str.hashCode()) {
            case 2123: // hashCode 值可能相同，需要进一步用 equals 比较 
                if (str.equals("C.")) {
                    x = 1;
                } else if (str.equals("BM")) {
                    x = 0;
                }
            default:
                switch (x) {
                    case 0:
                        System.out.println("h");
                        break;
                    case 1:
                        System.out.println("w");
                }
        }
    }
}

3.7 switch 枚举

enum Sex {
    MALE, 
    FEMALE
}
public class Candy7 {
    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
public class Candy7 {
    /**
     * 定义一个合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见）
     * 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系
     * 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始
     * 即 MALE 的 ordinal()=0，FEMALE 的 ordinal()=1
     */
    static class $MAP {
        // 数组大小即为枚举元素个数，里面存储case用来对比的数字
        static int[] map = new int[2];
        static {
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;
        }
    }
    public static void foo(Sex sex) {
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1:
                System.out.println("男");
                break;
            case 2:
                System.out.println("女");
                break;
        }
    }
}

3.8 枚举类

enum Sex {
    MALE, 
    FEMALE
}
// 转换后
public final class Sex extends Enum<Sex> {   
   // 对应枚举类中的元素
   public static final Sex MALE;    
   public static final Sex FEMALE;    
   private static final Sex[] $VALUES;
    static {       
        // 调用构造函数，传入枚举元素的值及 ordinal
        MALE = new Sex("MALE", 0);    
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);   
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE}; 
   }
   // 调用父类中的方法
    private Sex(String name, int ordinal) {     
        super(name, ordinal);    
    }
    public static Sex[] values() {  
        return $VALUES.clone();  
    }
    public static Sex valueOf(String name) { 
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);  
    } 
}

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

public class Candy9 {
    public static void main(String[] args) {
        try (InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt")) {
            System.out.println(is);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
// 等价于
public class Candy9 {
    public Candy9() {
    }
    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt");
            Throwable t = null;
            try {
                System.out.println(is);
            } catch (Throwable e1) {
                // t 是我们代码出现的异常
                t = e1;
                throw e1;
            } finally {
                // 判断了资源不为空
                if (is != null) {
                    // 如果我们代码有异常
                    if (t != null) {
                        try {
                            is.close();
                        } catch (Throwable e2) {
                            // 如果 close 出现异常，作为被压制异常添加
                            t.addSuppressed(e2);
                        }
                    } else {
                        // 如果我们代码没有异常，close 出现的异常就是最后 catch 块中的 e 
                        is.close();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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）

public class Test6 {
    public static void main(String[] args) {
        try (MyResource resource = new MyResource()) {
            int i = 1 / 0;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
class MyResource implements AutoCloseable {
    public void close() throws Exception {
        throw new Exception("close 异常");
    }
}
// 异常堆栈，两个异常都不会丢失
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)

3.10 方法重写的桥接方法

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 ```java class A {

public Number m() {
```
  return 1;
```
}

}

class B extends A {

@Override
// 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类 
public Integer m() {
    return 2;
}

}

// 等价于

class B extends A {

public Integer m() {
    return 2;
}
// 此方法才是真正重写了父类 public Number m() 方法
public synthetic bridge Number m() {
    // 调用 public Integer m()
    return m();
}

}

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：
```java
for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) { 
    System.out.println(m); 
}
// 会输出两个
// public java.lang.Integer test.candy.B.m() 
// public java.lang.Number test.candy.B.m()

3.11 匿名内部类

public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}
// 转换后
// 会额外生成一个类
final class Candy11$1 implements Runnable {
    Candy11$1() {
    }
    public void run() {
        System.out.println("ok");
    }
}
public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        // 调用转换后的类
        Runnable runnable = new Candy11$1();
    }
}

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

public class Candy11 {
   public static void main(String[] args) {
      int x = 1;
      Runnable runnable = new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
            System.out.println(x);
         }
      };
   }
}
// 转换后
public class Candy11 {
   public static void main(String[] args) {
      int x = 1;
      Runnable runnable = new Runnable() {
         @Override
         public void run() {
            System.out.println(x);
         }
      };
   }
}
final class Candy11$1 implements Runnable {
   //多创建了一个变量
   int val$x;
   //变为了有参构造器
   public Demo8$1(int x) {
      this.val$x = x;
   }
   @Override
   public void run() {
      System.out.println(val$x);
   }
}

03. 字节码指令

1. 类文件结构

2. 字节码指令

2.1 javap 工具

2.2 图解执行流程

2.2.1 常量池载入运行时常量池（这里只列举部分）

2.2.2 方法字节码载入方法区

2.2.3 main 线程开始运行，分配栈帧内存

2.2.4 执行引擎开始执行字节码

1. bipush 10

2. istore_1

3. ldc #3

4. istore_2

5. iload_1

6. iload_2

7. iadd

8. istore_3

9. getstatic #4

10. iload_3

11. invokeevirtual #5

12. return

2.3 i++ 问题字节码分析