图解jvm--(三)类加载与字节码技术

作者: 韩who | 来源:发表于2020-02-06 22:57 被阅读0次

类加载与字节码技术

1.类文件结构

根据 JVM 规范，类文件结构如下

ClassFile { 
    u4 magic; //魔数
    u2 minor_version; //小版本号
    u2 major_version; //java 主版本号
    u2 constant_pool_count; //常量池
    cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
    u2 access_flags;  //访问标识与继承信息
    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

指令	作用
iconst_1	int型常量值1进栈
bipush	将一个byte型常量值推送至栈顶
iload_1	第二个int型局部变量进操作数栈，从0开始计数
istore_1	将操作数栈栈顶 int 型数值存入第二个局部变量，从0开始计数
iadd	栈顶两int型数值相加，并且结果进栈
return	当前方法返回void
getstatic	获取指定类的静态域，并将其值压入栈顶
putstatic	为指定的类的静态域赋值
invokevirtual	调用实例方法
invokespecial	调用超类构造方法、实例初始化方法、私有方法
invokestatic	调用静态方法
invokeinterface	调用接口方法
new	创建一个对象，并且其引用进栈
newarray	创建一个基本类型数组，并且其引用进栈
iinc 1,1	局部变量表的值自加
iinc 1,-1	局部变量表的值自减

2.1 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 javap -v

javap -v Demo1_22.class
Classfile /D:/IDEAworkplace/jvm/out/production/jvm/cn/itcast/jvm/t1/stringtable/Demo1_22.class
  Last modified 2020-1-30; size 534 bytes
  MD5 checksum 5c4213b2f1defff2bb24bf7cbd5ff183
  Compiled from "Demo1_22.java"
public class cn.itcast.jvm.t1.stringtable.Demo1_22
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
      //常量池
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#24         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = String             #25            // a
   #3 = String             #26            // b
   #4 = String             #27            // ab
   #5 = Class              #28            // cn/itcast/jvm/t1/stringtable/Demo1_22
   #6 = Class              #29            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcn/itcast/jvm/t1/stringtable/Demo1_22;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               s1
  #19 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #20 = Utf8               s2
  #21 = Utf8               s3
  #22 = Utf8               SourceFile
  #23 = Utf8               Demo1_22.java
  #24 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #25 = Utf8               a
  #26 = Utf8               b
  #27 = Utf8               ab
  #28 = Utf8               cn/itcast/jvm/t1/stringtable/Demo1_22
  #29 = Utf8               java/lang/Object
{
 //----------------------------------------构造方法
  public cn.itcast.jvm.t1.stringtable.Demo1_22();
    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
     //源代码的第几行对应字节码的第几行           
      LineNumberTable:
        line 4: 0
            //本地变量表
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/itcast/jvm/t1/stringtable/Demo1_22;
//-------------------------------
    //-------------------------------main方法
  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    //执行指令代码
    Code:
      stack=1, locals=4, args_size=1
         0: ldc           #2                  // String a
         2: astore_1
         3: ldc           #3                  // String b
         5: astore_2
         6: ldc           #4                  // String ab
         8: astore_3
         9: return
       //源代码的第几行对应字节码的第几行           
      LineNumberTable:
        line 11: 0
        line 12: 3
        line 13: 6
        line 26: 9
      //局部变量表            
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      10     0  args   [Ljava/lang/String;
            3       7     1    s1   Ljava/lang/String;
            6       4     2    s2   Ljava/lang/String;
            9       1     3    s3   Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "Demo1_22.java"

2.2 图解方法执行流程

（1）原始java代码

/*** 演示 字节码指令 和 操作数栈、常量池的关系 */ 
public class Demo3_1 {
     public static void main(String[] args) {
     int a = 10;
     int b = Short.MAX_VALUE + 1;
     int c = a + b;
     System.out.println(c); 
     }
 }

（2）编译后的字节码文件

D:\IDEAworkplace\jvm\out\production\jvm\cn\itcast\jvm\t3\bytecode> javap -v Demo3_1.class
Classfile /D:/IDEAworkplace/jvm/out/production/jvm/cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1.class
  Last modified 2020-1-28; size 635 bytes
  MD5 checksum 1a6413a652bcc5023f130b392deb76a1
  Compiled from "Demo3_1.java"
public class cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #7.#25         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #26            // java/lang/Short
   a/io/PrintStream.println:(I)V
   #6 = Class              #31            // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
   #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               Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1;
  #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               Demo3_1.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               cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
  #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
{
  public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1();
    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 6: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1;

  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 8: 0
        line 9: 3
        line 10: 6
        line 11: 10
        line 12: 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: "Demo3_1.java"

（3）常量池载入运行时常量池

image

（4）方法字节码载入方法区

image

（5）main线程开始运行，分配栈帧内存

（stack=2（栈的深度），locals=4（局部变量表））

image

（6）执行引擎开始执行字节码

bipush 10

将一个 byte 压入操作数栈（操作数栈默认都是4字节）（不够4字节，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

image

istore_1

将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot 1

image

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

image

istore_2

image

iload_1

image

iload_2

image

iadd

image

istore_3

image

getstatic #4

image

iload_3

image

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

image

执行完毕，弹出栈帧
清除 main 操作数栈内容

image

return

完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧
程序结束

2.3 练习-分析 a++

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 Demo3_2 {
    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:

D:\IDEAworkplace\jvm\out\production\jvm\cn\itcast\jvm\t3\bytecode> javap -v Demo3_2.class
Classfile /D:/IDEAworkplace/jvm/out/production/jvm/cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2.class
  Last modified 2020-1-28; size 610 bytes
  MD5 checksum 5f6a35e5b9bb88d08249958a8d2ab043
  Compiled from "Demo3_2.java"
public class cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_2
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #5.#22         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #23.#24        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #25.#26        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #27            // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2
   #5 = Class              #28            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               LocalVariableTable
  #11 = Utf8               this
  #12 = Utf8               Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2;
  #13 = Utf8               main
  #14 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #15 = Utf8               args
  #16 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #17 = Utf8               a
  #18 = Utf8               I
  #19 = Utf8               b
  #20 = Utf8               SourceFile
  #21 = Utf8               Demo3_2.java
  #22 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #23 = Class              #29            // java/lang/System
  #24 = NameAndType        #30:#31        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #25 = Class              #32            // java/io/PrintStream
  #26 = NameAndType        #33:#34        // println:(I)V
  #27 = Utf8               cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2
  #28 = Utf8               java/lang/Object
  #29 = Utf8               java/lang/System
  #30 = Utf8               out
  #31 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #32 = Utf8               java/io/PrintStream
  #33 = Utf8               println
  #34 = Utf8               (I)V
{
  public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_2();
    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 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: 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

image

a++

image

++a

image

add

image

a--

image

add

image

2.4 练习 - 判断结果

从字节码角度分析，先 istore 0 ，进操作数栈，然后，再将x 的局部变量表执行 iinc 加1，然后，把操作数栈的数 istore 回去 x 所在的局部变量表，所以，x一直为0

public class Demo3_6_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        int x = 0;
        while (i < 10) {
            x = x++;
            i++;
        }
        System.out.println(x);
    }
}

//结果 为 0

2.5 方法调用

public class Demo3_9 {
    public Demo3_9() { }

    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) {
        Demo3_9 d = new Demo3_9();
        d.test1();  //invokespecial
        d.test2();  //invokespecial
        d.test3();  //invokevirtual
        d.test4(); //invokestatic
        Demo3_9.test4(); //invokestatic
        d.toString();
    }

}

 stack=2, locals=2, args_size=1
         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             //说明通过对象调用静态方法，会弹出栈，直接调用
        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

通过对象调用静态方法，实际上是load 后，又出栈了，说明通过对象调用静态方法，会弹出栈，直接调用。

静态方法是不需要对象的，直接使用

2.6 new 关键字原理

         0: new           #3                  // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_9
         3: dup
         4: invokespecial #4                  // Method "<init>":()V
         7: astore_1

new 有两步，第一步是先分配一个对象在堆空间需要的内存，分配成功，会把对象的引用放入操作数栈，然后执行 dup 复制一份对象引用？为什么？复制一份对象，来执行init方法，构造方法，执行完后，这个对象就出栈了，所以需要复制一份，然后会执行 store 把此时栈顶的对象引用存储到局部变量表中的(即赋值给 new 出这个对象的引用 )

image

2.7 多态原理

在类的链接阶段，就确定了虚方法表（vtable），确定下一个类加载时执行方法的先后顺序

当执行一个对象的 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

2.8 异常处理

try - catch

public class Demo3_11_1 {

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

字节码

 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         //把异常对象的局部变量存到e中
         9: bipush        20
        11: istore_1
        12: return
                  
      //异常表，检测第2行到第5行范围内的异常，进行异常类型匹配,一旦有异常，则会到第执行第8行            
      Exception table:
         from    to  target type
             2     5     8   Class java/lang/Exception
   
      //局部变量表
      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 */
}

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 try-catch块

public class Demo3_11_2 {

    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：

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:
       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

public class Demo3_11_3 {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            Method test = Demo3_11_3.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 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
   
      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

finally

public class Demo3_11_4 {

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

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           // 0 -> i
         2: bipush        10      //try---
         4: istore_1              // 10 -> i
         5: bipush        30      //finally
         7: istore_1             //30 -> i
         8: goto          27     //return 
        11: astore_2             //catch Exception -> e 
        12: bipush        20
        14: istore_1
        15: bipush        30        //finally
        17: istore_1
        18: goto          27
        21: astore_3
        22: bipush        30       //finally
        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

      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

}

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

2.9 finally练习

题目一：

public class Demo3_12_2 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }

    public static int test() {

        try {
            return 10;
        } finally {
            return  20;
        }
    }
}

//结果是 20

  public static int test();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=2, args_size=0
         0: bipush        10  // <- 10放入栈顶
         2: istore_0          // 10 -> slot 0 (从栈顶移除了)
         3: bipush        20   // <- 20 放入栈顶 
         5: ireturn            // 返回栈顶 int(20)
         6: astore_1           // catch any --> slot 1
         7: bipush        20     // <- 20 放入栈顶
         9: ireturn              //返回栈顶 int(20)
      Exception table:
         from    to  target type
             0     3     6   any
}

由于 fifinally 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，最好不要在finally 里面 return

例如：下面的代码，不会出现除零异常

    public static int test() {

        try {
            return 10/0;
        } finally {
            return  20;
        }
    }
}

题目二：

public class Demo3_12_2 {
    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;
        }
    }
}

//结果是 10

 public static int test();
    descriptor: ()I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=3, args_size=0
         0: bipush        10       // <- 10 放入栈顶
         2: istore_0               // 10 -> i
         3: iload_0                // <- i（10）
         4: istore_1               // 10 -> slot 1 ,暂存至 slot 1, 目的时为了固定返回值
         5: bipush        20       // <- 20 放入栈顶
         7: istore_0               // 20 ->i
         8: iload_1                // <- slot 1(10) 载入 slot 1 暂存的值
         9: ireturn                //返回栈顶的 int(10)
        10: astore_2
        11: bipush        20
        13: istore_0
        14: aload_2
        15: athrow
      Exception table:
         from    to  target type
             3     5    10   any
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            3      13     0     i   I

2.10 synchronized

public class Demo3_13 {

    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                  // new Object
         3: dup                              //复制一份对象引用
         4: invokespecial #1                  // 执行构造方法
         7: astore_1                         //lock引用 -> lock     
         8: aload_1                        //对象加载到操作数栈 <-lock (synchronized开始)
         9: dup 
        10: astore_2                      //lock 引用 -> slot2 
        11: monitorenter                   // monitorenter （lock引用） 加锁操作
        12: getstatic     #3                  //System.out
        15: ldc           #4                  // String ok
        17: invokevirtual #5                   // System.out
        20: aload_2                          // <- slot2  (lock引用)
        21: monitorexit                   // monitorexit 解锁
        22: goto          30
                  //--------------------出现异常-----
        25: astore_3                     // any -> slot 3
        26: aload_2                      //<- slot 2(lock 引用)
        27: monitorexit                  // monitorexit 解锁
        28: aload_3
        29: athrow
                  /------------------
        30: return
      Exception table:
         from    to  target type
            12    22    25   any
            25    28    25   any

      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      31     0  args   [Ljava/lang/String;
            8      23     1  lock   Ljava/lang/Object;

}

3.编译器处理

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 Candy1 { 
 }

public class Candy1 {
// 这个无参构造是编译器帮助我们加上的 
  public Candy1() {
    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 Candy2 { 
    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 Candy2 { 
    public static void main(String[] args) { 
        Integer x = Integer.valueOf(1); 
        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<>(); 
        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();

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

  public static void main(java.lang.String[]) throws java.lang.Exception;
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=3, args_size=1
         0: new           #2                  // class java/util/ArrayList
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: bipush        10
        11: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;
        14: invokeinterface #5,  2            // InterfaceMethod java/util/List.add:(Ljava/lang/Object;)Z
        19: pop
        20: aload_1
        21: iconst_0
        22: invokeinterface #6,  2            // InterfaceMethod java/util/List.get:(I)Ljava/lang/Object;
        27: checkcast     #7                  // class java/lang/Integer
        30: astore_2
        31: return
      LineNumberTable:
        line 13: 0
        line 14: 8
        line 15: 20
        line 31: 31
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      32     0  args   [Ljava/lang/String;
            8      24     1  list   Ljava/util/List;
           31       1     2     x   Ljava/lang/Integer;
    //局部变量类型表                                 
      LocalVariableTypeTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            8      24     1  list   Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;
    Exceptions:
      throws java.lang.Exception
}

使用反射，仍然能够获得这些信息：

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

Method test = Candy3.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]);
        }
    }

}

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 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");
    }
}

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 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"});
    }
}

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 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
        for (int e : array) {
            System.out.println(e);
        }
    }
}

会被编译器转换为：

public class Candy5_1 { 
    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); 
        } 
    }
}

而集合循环：

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);
        }
    }
}

实际被编译器转换为对迭代器的调用：

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(); //获取迭代器
        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 Candy6_1 {
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello": {
                System.out.println("h");
                break;
            }
            case "world": {
                System.out.println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

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; 
            } 
        }
    } 
}

编译后：

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 枚举类

switch 枚举的例子，原始代码：

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

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：

public final class Sex extends Enum<Sex> { 
    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE; 
    private static final Sex[] $VALUES; 
    
    static {
        MALE = new Sex("MALE", 0); 
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    }
    
    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-resourses

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 Candy9 { 
    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：

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 fifianlly 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"); 
    } 
}

输出：异常都不会丢

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 方法重新时的桥接方法

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）

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; 
    } 
}

对于子类，java 编译器会做如下处理：

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：

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"); 
            } 
        }; 
    } 
}

转换后的代码：

// 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

属性，不应该再发生变化了，如果变化，那么 val$x 属性没有机会再发生变化

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 Kclass 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

可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

image

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（修改 ca fe ba by ），在控制台运行

image

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(在堆)
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

public class Load8 {

    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

{
  static int a;
    descriptor: I
    flags: ACC_STATIC

  static int b;
    descriptor: I
    flags: ACC_STATIC   //准备阶段先分配空间，然后在初始化阶段才赋值

  static final int c;
    descriptor: I
    flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 20    //final 直接赋值

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

  static final java.lang.Object e;
    descriptor: Ljava/lang/Object;
    flags: ACC_STATIC, ACC_FINAL   //引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

  public cn.itcast.jvm.t3.load.Load8();
    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   Lcn/itcast/jvm/t3/load/Load8;

  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
}

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 Load2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {          ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();
       //loadClass 方法不会导致类的解析和初始化                                                 
       Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");
       // new C();
      //只有通过new 方式，才能实现对类的解析
        System.in.read();
    }
}

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

class D {

}

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】

导致类初始化的情况

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

public class Load3 {
    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("cn.itcast.jvm.t3.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("cn.itcast.jvm.t3.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

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 Load4 {
    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) 会导致初始化
    static {
        System.out.println("init E");
    }
}


//结果
10
hello
init E
20

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式

public class Load9 {
    public static void main(String[] args) {
//        Singleton.test();    //结果，不会调用初始化
        
        //结果时执行了一次初始化，第二次调用类以及初始化，直接返回
        Singleton.getInstance();
        Singleton.getInstance();
    }

}

class Singleton {

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

    private Singleton() {}

    private static class LazyHolder{
        private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();
        static {
            System.out.println("lazy holder init");
        }
    }

    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.SINGLETON;
    }
}

5.类加载器

以 JDK 8 为例：

名称	加载那些类	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Boorstrap 类加载器加载类：

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

执行

public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader()); // AppClassLoader  ExtClassLoader
    }
}

输出

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:.
cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null   //由启动类加载器加载的

-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 拓展类加载器

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

/**
 * 演示 扩展类加载器
 * 在 C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91 下有一个 my.jar
 * 里面也有一个 G 的类，观察到底是哪个类被加载了
 */
public class Load5_2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出

classpath G init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

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

重新执行 Load5_2

输出

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

5.3 双亲委派机制

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

ClassLoader类中的 loadClass 方法

   protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            //1.检查该类是否已经加载
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        //2.有上级的话，委派上级 loadClass
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        //3.如果没有上级了（ExtClassLoader）,则委派BootstrapClassLoader
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //4.每一层找不到，调用findClass 方法（每个类加载器直接拓展）来加载
                    c = findClass(name);

                    //5.记录耗时
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

5.4 线程上下文类加载器

我们在使用 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？

让我们追踪一下源码：

public class DriverManager {


    
    //注册驱动的集合
    private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();


    private DriverManager(){}


    //初始化驱动
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }

先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());

打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，但

JAVA_HOME/jre/lib 下显然没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar 包，这样问题来了，在

DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 com.mysql.jdbc.Driver 呢？

继续看 loadInitialDrivers() 方法：

private static void loadInitialDrivers() {
        String drivers;
        try {
            drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
                public String run() {
                    return System.getProperty("jdbc.drivers");
                }
            });
        } catch (Exception ex) {
            drivers = null;
        }
 
        // 1）使用 ServiceLoader 机制加载驱动，即 SPI
        AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
            public Void run() {

                ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
                Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();

   
                try{
                    while(driversIterator.hasNext()) {
                        driversIterator.next();
                    }
                } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
                }
                return null;
            }
        });

        println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
         // 2）使用 jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
        if (drivers == null || drivers.equals("")) {
            return;
        }
        String[] driversList = drivers.split(":");
        println("number of Drivers:" + driversList.length);
        for (String aDriver : driversList) {
            try {
                println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
                
                // 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器
                Class.forName(aDriver, true,ClassLoader.getSystemClassLoader());
            } catch (Exception ex) {
                println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
            }
        }
    }

先看 2）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此

可以顺利完成类加载

再看 1）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）

约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

image

这样就可以使用

ServiceLoader<接口类型> allImpls = ServiceLoader.load(接口类型.class); 
Iterator<接口类型> iter = allImpls.iterator(); 
while(iter.hasNext()) { 
    iter.next(); 
}

来得到实现类，体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

JDBC
Servlet 初始化器
Spring 容器
Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

接着看 ServiceLoader.load 方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 获取线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); 
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类LazyIterator 中:

 private S nextService() {
            if (!hasNextService())
                throw new NoSuchElementException();
            String cn = nextName;
            nextName = null;
            Class<?> c = null;
            try {
                c = Class.forName(cn, false, loader);
            } catch (ClassNotFoundException x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " not found");
            }
            if (!service.isAssignableFrom(c)) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn  + " not a subtype");
            }
            try {
                S p = service.cast(c.newInstance());
                providers.put(cn, p);
                return p;
            } catch (Throwable x) {
                fail(service,
                     "Provider " + cn + " could not be instantiated",
                     x);
            }
            throw new Error();          // This cannot happen
        }

5.5 自定义类加载器

问问自己，什么时候需要自定义类加载器

1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
3）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 findClass 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

图解jvm--(三)类加载与字节码技术

类加载与字节码技术

1.类文件结构

2.字节码指令

2.1 javap 工具

2.2 图解方法执行流程

（1）原始java代码

（2）编译后的字节码文件

（3）常量池载入运行时常量池

（4）方法字节码载入方法区

（5）main线程开始运行，分配栈帧内存

（6）执行引擎开始执行字节码

2.3 练习-分析 a++

2.4 练习 - 判断结果

2.5 方法调用

2.6 new 关键字原理

2.7 多态原理

2.8 异常处理

2.9 finally练习

2.10 synchronized

3.编译器处理

3.1 默认构造器

3.2 自动拆装箱

3.3 泛型集合取值

3.4 可变参数

3.5 foreach 循环

3.6 switch 字符串

3.7 switch 枚举类

3.8 枚举类

3.9 try-with-resourses

3.10 方法重新时的桥接方法

3.11 匿名内部类

4.类加载阶段

4.1 加载

4.2 链接

验证

准备

解析

4.3 初始化

4.4 练习

5.类加载器

5.1 启动类加载器

5.2 拓展类加载器

5.3 双亲委派机制

5.4 线程上下文类加载器

5.5 自定义类加载器

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