四、虚拟机执行子系统

目录
[toc]

1．类的文件结构

1.1 Class类文件结构

Class文件是一组以8位字节为基础的二进制流，各个数据项目严格按照顺序紧凑地排列在Class文件之中，中间没有任何分隔符。当遇到需要占用8位字节意思空间的数据项的时候，则会按照高位在前的方式分隔成若干个8位字节进行存储。
根据Java虚拟机规范的规定，Class文件格式采用一种类似于C语言结构体的伪结构来存储数据，它包含两种数据类型：

• 无符号数
  无符号数属于基本数据类型，以u1,u2,u4,u8来分别代表1个字节、2个字节、4个字节。8个字节的无符号数，它可以用来描述数字。索引引用。数量值或者按照utf8编码来构成字符串
• 表
  由多个无符号数或者其他表作为数据项构成的复合数据类型，所有表都习惯性的以‘_info’结尾。

1.2 魔数与Class文件的版本

每个Class文件的头4个字节称为“魔数”，它的唯一作用是确定这个文件是否为一个能被虚拟机接受的Class文件。0xCAFEBABE.
紧接着魔数的4个字节存储的是Class文件的版本号：第5和第6个字节是次版本号，第7和第8个字节是主版本号。

1.3 常量池

紧接着主次版本号之后的是常量池入口，通常可以理解为Class文件的资源仓库。常量池主要放两大常量：

• 字面量：比较接近于Java语言层面的常量概念，比如文本字符串、声明为final的常量值等。
• 符号引用：属于编译原理方面的概念，包括下面三类常量：
  1、类和接口的全限定名
  2、字段的名称和描述符
  3、方法的名称和描述符

1.4访问标志

在常量池之后，紧接着的两个字节代表访问标志，这个标志用于识别一些类或者接口层次的访问信息，包括：这个Class是类还是接口；是否定义为public类型；是否定义为abstarct类型；如果是类的话，是否被声明为final等。

1.5类索引、父类索引和接口索引集合

类索引和父类索引都是一个u2类型的数据，而接口索引集合是一组u2类型数据的集合，Class文件通过这3个数据来确定这个类的继承关系。类索引用于确定这个类的全限定名，父类索引用于确定这个类的父类的全限定名。接口索引集合用来描述这个类实现了哪些接口。

1.6字段表集合

字段表用于描述接口或者类中声明的变量。包括的信息有：字段的作用域（public、private、protected修饰符），static/final、transient是否可以被序列化。

1.7方法表集合

方法表的结构如同字段表一样，依次包括了访问标志、名称索引、描述符索引、属性表集合几项。

1.8属性表结合（attribute_info）

属性表在Class文件、字段表、方法表都可以携带自己的属性表结合，以用于描述某些场景专有的信息。

2.虚拟机类加载机制

虚拟机把描述类的数据从Class文件中加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。
在Java里，类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的，这种策略虽然会导致类加载时稍微增加一点性能开销，但是会为Java应用程序提供高度的灵活性，Java天生的可以动态扩展的语言特性就是依赖运行期间动态加载和动态连接这个特点实现的。

2.1类加载的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期为:
加载->验证（连接阶段）->准备（连接阶段）->解析（连接阶段）->初始化->使用-> 卸载

加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类的加载过程必须按照这种顺序按部就班来开始，而解析阶段不一样，它可以在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（动态绑定）。注意，这些阶段通常都是相互交叉地混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用、激活另一个阶段。

5种情况下必须立即对类进行“初始化”：

1. 遇到new、getstatic/putstatic或invokestatic4条字节码指令时，如果类没有进行初始化，则先要触发其初始化。生成这4个字节码指令的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象、读取或者设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候。以及调用一个类的静态方法的时候。
2. 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
3. 当初始化一个类，如果其父类还未被初始化，会先初始化该父类
4. 当虚拟机启动时，用户指定的一个执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类
5. 当一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要触发其初始化

以上5种场景，称为堆一个类进行主动引用。除此之外，所以的被动引用类的方式都不会触发初始化
例如：

• 通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
• 通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
• 常量池在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

接口的加载过程与类的加载过程有些不同：当一个类在初始化时，要求其父类全部已经初始化过来，但是在接口初始化时，并不要求其父接口全部都完成初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。

2.2类加载的具体过程

2.2.1加载

在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；
2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

对于数组类而言，情况有所不同。数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。但是，数组的元素类型最终还是要靠类加载器去创建。
一个数组类的创建过程如下：
1.如果数组类的元素类型是引用类型，那就递归用类加载器区加载这个组件类型，数组将在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上被标识
2.如果数组的组件不是引用类型如int[]数组，Java虚拟机将会把数组C标记为引导类加载器关联
3.数组类的可见性与他的元素类型的可见性一致，如果他的元素类型不是引用类型，那么它的默认为public

2.2.2验证

验证是连接的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害到虚拟机自身的安全。验证阶段非常重要，这个阶段是否严谨，决定了Java虚拟机是否能承受恶意代码的攻击，从执行性能的角度上讲，验证阶段的工作量在虚拟机的类加载子系统中了很大一部分。从整体来看，验证阶段大致完成下面4个阶段的检验动作：

1. 文件格式验证
2. 元数据验证
3. 字节码验证
4. 符号引用验证

2.2.3准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值得阶段，这些变量所用的内存在方法区中进行分配。注意:这时候进行内存分配的仅仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化的时候随着对象一起分配在java堆中。其次：这里所说的初始值指的是数据类型的零值，假设一个类变量为public static int value=123;那么value在准备阶段过后的初始值为0而不是123。若是它以final修饰，编译时javac将会为value生成ConstatnValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123.

2.2.4 解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用在Class文件中它以CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Mthodref_info等类型的常量出现。
符号引用与直接引用的关联和区别：

• 符号引用：以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义的定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标不一定已经加载到内存中。
• 直接引用：可以是直接指向目标的指针、相等偏移量或是能一个能间接定位到目标的句柄。直接引用与虚拟机的内存布局是相关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那么被引用的目标必定已经存在于内存之中。
  解析动作主要针对以类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。下面是前4种的具体分析：

1. 类或接口的解析
   TODO
2. 字段解析
3. 类方法解析
4. 接口方法解析

2.2.5初始化

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，到了初始化阶段，则根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其他资源，或者可以从另外一个角度来表达：初始化时是执行类构造器<clinit>()方法的过程。

• <clinit>（）方法时由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的
• <clinit>（）方法与类的构造函数（实例构造器<init>()方法）不同，它不需要显式的调用父类构造器。虚拟机或保证在子类的<clinit>（）方法执行之前，父类的<clinit>（）方法已经执行完毕
• 由于父类的<clinit>（）方法先执行，说明父类中定义静态语句块要优先于子类的变量赋值操作
• <clinit>（）方法对于类或者接口来说不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成<clinit>（）方法。
• 接口中不能使用静态语句块，但是仍然有变量赋值操作
• 虚拟机会保证一个类的<clinit>（）方法在多线程的环境下中被正确的加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>（）方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>（）方法完毕。

2.3 类加载器

类加载器可以说是java语言的一项创新，也是Java语言流行的重要原因之一。虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取此类二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，实现这个动作的代码模块称为类加载器。

2.3.2类与类加载器

类加载器虽然只用于实现类的加载动作，但它在Java中起到的作用远远不止于类加载阶段。对于任何一个类，都需要由加载它的加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个加载器都有独立的类名称空间。讲的通俗些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类书是由同一个类加载器的前提下才有意义，否则，即使这两个类来自于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那么这两个类就必定不相等。
类加载器的分类：

1. 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）:负责将存放在<JAVA_HOME>\lib中的，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的类库加载到虚拟机内存当中。它无法被Java程序直接引用

2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader）:负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext中的，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器。

3. 应用程序类加载器：负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用此类加载器

4. 自定义类加载器：根据需求自己定义的类加载器。

2.3.3双亲委派模型

双亲委派模型的工作过程：
如果一个类加载收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试去加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此，所以的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父类的加载器反馈无法完成这个加载请求，子加载器才会尝试自己去加载。

3.1虚拟机字节码执行引擎

所有的Java虚拟机的执行引擎都是一致的：输入的是字节码文件，处理过程是字节码解析的等效过程，输出的是执行结果。

3.1.1 运行时栈帧结构

栈帧是用于支持虚拟机进行方法调用和方法执行的数据结构，它是虚拟机运行时数据区的虚拟机栈的栈元素。它存储了方法的局部变量表、操作数栈、动态连接和方法返回地址等信息。

3.1.1.1 局部变量表

局部变量表是一组变量值存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。 在java程序编译为Class文件时，就在Code属性的max_locals数据项中确定了该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。局部变量表的容量以变量槽（Variable Slot）为最小单位，每个Slot都应该能存放一个boolean、byte、char、short、int、float、reference或returnAddress类型的数据。

前面6种，不做过多解释，第7种reference类型表示对一个对象实例的引用，虚拟机能通过这个引用做的两点：

• 1.从引用中直接或者间接地查找到对象在Java堆中的数据存放的起始地址索引
• 2.此引用中直接或间接地查找到对象所属数据类型在方法区中的存储的类型信息。

虚拟机通过索引定位的方式使用局部变量表，索引值得范围是从0开始到局部变量表最大的Slot数量。在方法执行时，虚拟机是使用局部变量表完成数值到参数变量表的传递过程的。为了节省栈帧空间，局部变量表中的Slot是可以重用的。

3.1.1.2操作数栈

操作数栈是一个后入先出的栈。同局部变量表一样，操作数栈的最大深度在编译期间以经确定并写入了Code属性的max_stacks中。当一个方法刚开始执行时，这个方法的操作数栈时空的，在方法的执行过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈/入栈操作。

举个例子： 整数加法的字节码指令iadd在运行的时候操作数栈中最接近栈顶的两个元素已经存入了两个init型的数值，当执行这个指令时，会将这两个int值出栈并相加，然后将相加的结果入栈。

3.1.1.3 动态连接

每个栈帧中都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，持有这个引用时为了支持方法调用过程中的动态连接。Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中所指向方法的符号引用作为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候转化为直接引用，这种转化为静态解析。另外一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这种称为动态连接。

3.1.1.4方法返回地址

方法开始执行后，有两种方式可以退出这个方法：

• 1.正常完成出口：执行引擎在遇到任意一个方法返回的字节码指令，就会退出方法，可能有返回值或者也没有返回值，由何种返回方法指令确定。
• 2.异常完成出口：在方法执行过程中遇到了异常，并且这个异常没有在方法内得到处理，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出。

以上，无论采用何种方法退出，都需要返回到方法的被调用的位置，方法返回时可能会在栈帧中保持这个返回地址，用来帮助恢复它的上层方法的执行状态。一般来说，方法正常退出时，调用者的pc计数器可以作为返回地址，而栈帧中很可能就会保存这个计数器值。方法异常退出时怎一般不会保存这个信息。

3.1.2 方法调用

方法调用并不等于方法执行，方法调用阶段唯一的任务是确定被调用的是哪个方法，暂时不涉及方法内部的具体运行过程。

3.1.2.1 解析

所以方法调用中的目标方法在Class文件里面都是一个常量池中符号的引用，在类加载的解析阶段，会将其中的一部分符号引用转化为直接引用，这种解析能成立的前提是:方法在程序真正运行之前就有一个可确定的调用版本，并且这个方法的调用版本在运行期间是不可改变的。换句话说，调用模板在程序代码写好、编译器进行编译时就必须确定下来。这类方法的调用称为解析。
主要包括静态方法和私有方法，这两种方法的特点决定了它们都不可能通过继承或别的方式重写其他版本，因此它们都适合在类加载阶段进行解析。
在java虚拟机里面提供了5条方法调用字节码指令：

• invokestatic:调用静态方法
• invokespecial:调用实例构造器方法<init>、私有方法和父类方法
• invokevirtual：调用所有的虚方法
• invokeinterface:调用接口方法，会在运行时确定一个实现此接口的对象
• invokedynamic：现在运行时动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法。

只要能被invokestaitc和invokespecial调用指令调用的方法，都可以在解析阶段中确定唯一调用版本，这类方法被称为非虚方法，与之相反，其他方法被称为虚方法。final方法时使用invokevirtual指令来调用的，但是由于它无法被覆盖，没有其他版本，所以它也是非虚方法。

3.1.2.2 分派

Java是一门面向对象的程序语言，因为Java具备面向对象的3个基本特征：继承、封装、多态。分派的调用过程将会揭示多态性特征的一些基本体现，如“重载”和“重写”在Java虚拟机是如和实现的

3.1.2.2.1 静态分派

所有依赖静态类型来定位方法执行版本的分派动作叫做静态分派。静态分派的典型应用是方法重载。它发生在编译阶段，因此确定静态分派的动作实际上不上有虚拟机执行的。虚拟机在重载时是通过参数的静态类型而不是实际类型作为判断已预交。并且静态类型在编译期是可知的美因茨，在编译阶段，javac编译期会根据参数的静态类型决定使用哪个重载版本。

3.1.2.2.2 动态分派

动态分派的过程，和重写有着密切的关联。因为重载时静态的，重写时动态的，java虚拟机根据实际类型来分派方法执行版本。