开新坑！JVM系列组合拳吊打面试官

本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。

JVM的概览

为何要了解JVM

The Java Virtual Machine is the cornerstone of the Java platform.
The Java Virtual Machine is an abstract computing machine. Like a real computing machine, it has an instruction set and manipulates various memory areas at run time.
The Java Virtual Machine knows nothing of the Java programming language, only of a particular binary format, the class file format.

JVM，JDK，JRE的关系

由图可知，JDK包含JRE，JRE包含了JVM。

关于语言

语言类型	定义	特点	示例
编译型	使用特定的编译器，针对不同的平台，将源代码一次性的编译成该平台可执行的程序格式	执行速度快，效率高；依靠编译器，跨平台差	C，C++,GoLang
解释型	使用特定的解释器对源程序逐行解释成平台机器码并立即执行，在执行时才被一行一行解释。	执行速度慢，效率低；依靠解释器，跨平台友好	Python，JavaScript
编译型&解释型	由javac等编译器编译成JVM能够识别的文件格式，再由JVM解释或编译成具体的平台执行的程序格式	执行速度快，效率高，跨平台友好	Java

关于冯诺依曼

既然Java官方将JVM称为一个抽象计算机，那么肯定满足冯诺依曼的体系，在JVM的探索中我们期望可以将JVM的相关结构进行验证。

冯诺依曼结构	JVM中结构	备注
Input	类加载器	加载class文件
Output	平台适配的机器码
Memory	分割成多个区域的存储区，运行时数据区

Von_Neumann_architecture.svg.png

JVM类加载过程

编译（从.java到.class)

词法分析器 $\Longrightarrow$ 语法分析器 $\Longrightarrow$ 语义分析器 $\Longrightarrow$ 代码生成器

Java源码通过词法分析器生成token流；token流通过语法分析器生成语法树；通过语义分析器生成注解语法树；再通过代码生成器生成字节码文件。

class文件解析

Demo

package com.bayitalk.clazz;

/**
 * <p> 测试类文件格式
 *
 * @author Morris
 * @version 1.0
 */
public class TClass {
    private final static int a = 20;

    private static int b = 129;

    private int c = 12;

    private static String comment = "This is Test class";

    public String getComment(){
        return comment;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }

}

javac编译成class

class文件格式

Chapter 4. The class File Format

ClassFile {
    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];
}

例如magic的u4中：u表示无符号，4表示4个字节，在十六进制中，两个数字表示1个字节。

structure	大小	含义	备注
magic	u4	魔法标识，用来标识class文件格式	0xCAFBABE是固定值
minor_version	u2	java的小版本号
major_version	u2	java的大版本号	52是java8
constant_pool_count	u2	常量池中常量的个数	由于下标是从1开始计算的，因此实际个数=count-1
constant_pool[constant_pool_count-1];	cp_info	常量池具体内容
access_flags	u2	访问标识

javap 反编译

javap -v -p TClass.class > TClass.txt

Classfile /Users/huxingbo/Documents/morris_projects/jvm-stu/src/main/java/com/bayitalk/clazz/TClass.class
  Last modified 2022-5-9; size 717 bytes
  MD5 checksum 19506192bfa2c2d0aeb1fd37bdb5db45
  Compiled from "TClass.java"
public class com.bayitalk.clazz.TClass
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #9.#29         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #5.#30         // com/bayitalk/clazz/TClass.c:I
   #3 = Fieldref           #5.#31         // com/bayitalk/clazz/TClass.comment:Ljava/lang/String;
   #4 = Fieldref           #32.#33        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #5 = Class              #34            // com/bayitalk/clazz/TClass
   #6 = Methodref          #35.#36        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #7 = Fieldref           #5.#37         // com/bayitalk/clazz/TClass.b:I
   #8 = String             #38            // This is Test class
   #9 = Class              #39            // java/lang/Object
  #10 = Utf8               a
  #11 = Utf8               I
  #12 = Utf8               ConstantValue
  #13 = Integer            20
  #14 = Utf8               b
  #15 = Utf8               c
  #16 = Utf8               comment
  #17 = Utf8               Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               <init>
  #19 = Utf8               ()V
  #20 = Utf8               Code
  #21 = Utf8               LineNumberTable
  #22 = Utf8               getComment
  #23 = Utf8               ()Ljava/lang/String;
  #24 = Utf8               main
  #25 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               <clinit>
  #27 = Utf8               SourceFile
  #28 = Utf8               TClass.java
  #29 = NameAndType        #18:#19        // "<init>":()V
  #30 = NameAndType        #15:#11        // c:I
  #31 = NameAndType        #16:#17        // comment:Ljava/lang/String;
  #32 = Class              #40            // java/lang/System
  #33 = NameAndType        #41:#42        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #34 = Utf8               com/bayitalk/clazz/TClass
  #35 = Class              #43            // java/io/PrintStream
  #36 = NameAndType        #44:#45        // println:(I)V
  #37 = NameAndType        #14:#11        // b:I
  #38 = Utf8               This is Test class
  #39 = Utf8               java/lang/Object
  #40 = Utf8               java/lang/System
  #41 = Utf8               out
  #42 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #43 = Utf8               java/io/PrintStream
  #44 = Utf8               println
  #45 = Utf8               (I)V
{
  private static final int a;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 20

  private static int b;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC

  private int c;
    descriptor: I
    flags: ACC_PRIVATE

  private static java.lang.String comment;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC

  public com.bayitalk.clazz.TClass();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: aload_0
         5: bipush        12
         7: putfield      #2                  // Field c:I
        10: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
        line 14: 4

  public java.lang.String getComment();
    descriptor: ()Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #3                  // Field comment:Ljava/lang/String;
         3: areturn
      LineNumberTable:
        line 19: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: bipush        20
         5: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 23: 0
        line 24: 8

  static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: sipush        129
         3: putstatic     #7                  // Field b:I
         6: ldc           #8                  // String This is Test class
         8: putstatic     #3                  // Field comment:Ljava/lang/String;
        11: return
      LineNumberTable:
        line 12: 0
        line 16: 6
}
SourceFile: "TClass.java"

加载(从class到jvm)

Chapter 5. Loading, Linking, and Initializing

加载.class的方式

加载方式	示例	备注
本地加载
网络加载	Web Applet,小程序
归档文件加载	jar，war
数据库加载	JSP从数据库提取class文件	少见
动态编译，运行时计算	动态代理
加密文件	防class反编译

类生命周期：装载(Load) $\Longrightarrow$ 链接(Link) $\Longrightarrow$ 初始化(Initialize) $\Longrightarrow$ 使用(Use) $\Longrightarrow$ 卸载(Upload)

类加载机制：虚拟机将.class文件加载到内存 $\Longrightarrow$ 对数据进行校验、转换、解析、初始化 $\Longrightarrow$ 变成虚拟机可以直接使用的java类型：java.lang.Class

装载(Load)

通过类加载器(寻找器，独立于JVM之外的实现，可以决定如何加载)获取类的二进制流，一般而言，Java程序员能够在这一步通过自定义加载器，字节码增强，java agent方式来增强类
字节流中的静态存储结构会转化成方法区的运行时数据结构，分配内存（此时内存中有数据位置，但是无法访问）
在java堆中生成被加载类的java.lang.Class对象作为数据访问入口
JIT的热点代码不再这个阶段进入方法区

位置	数据
方法区	类信息、常量、静态变量
堆	java.lang.Class作为数据的访问入口

链接(Link)

验证(Verification)

验证贯穿着整个类加载周期，以保证虚拟机不受危害

验证	详情	备注
文件格式的验证	1.文件数据结构格式 2.版本，保证字节流能被正确存储方法区
元数据验证	语义验证，java语法，方法区的存储验证
字节码验证	1.数据流控制流的分析验证 2.类的方法体，安全性验证 3.栈数据类型操作码合法性检查，自身大小，不是深度 4.字节码跳转是否合法(例如常量池的引用跳转)
符号引用验证	符号引用转变为直接引用的合法性

准备(Preparation)

为静态变量分配内存，初始化默认值，并不执行Java代码。默认值而非初始值。
final static修饰的在准备期间会初始化，被ConstantValue修饰的变量，会从常量池中找值进行赋值。常量池中只有基础数据类型和String类型
准备阶段只需要在初始化之前就可以发生。

解析(Resolution)

Java 虚拟机指令 anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、 invokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、 invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield和putstatic对运行时常量池进行符号引用。执行任何这些指令都需要解析其符号引用。

解析是从运行时常量池中的符号引用动态确定具体值的过程。
由于同一个符号引用可能被多次解析，因此JVM会对解析的结果进行缓存。除了invokedynamic指令,后续被用到java8的lambda表达式中。
Overriding也与此阶段相关

初始化( Initialization)

执行类构造器的方法，赋初始值，声明类变量指定初始值
静态代码块为类变量赋值
如果没有Load，Link,则先Load、Link
如果该类父类还没有初始化，先初始化父类
依次执行初始化语句

JVM是多线程进行初始化的，使用初始化锁LC控制。

使用(Use)

只有主动引用了类，才会初始化类。

主动引用

创建类的时候，new
访问或使用接口和类的静态变量
调用类的静态方法
反射
初始化子类时，先初始化父类
启动类

被动引用

引用父类的静态字段，只初始化父类，子类不出适合
定义类数组，不会类初始化
引用类static和final同时修饰的常量，不会引起类初始化

卸载

类的所有实例被回收
加载类的ClassLoader被回收
该类的java.lang.Class对象没有被引用