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一个简单java程序的运行全过程

作者:某人的喵星人
原文:https://www.cnblogs.com/dqrcsc/p/4671879.html

简单说来,一个java程序的运行需要编辑源码、编译生成class文件、加载class文件、解释或编译运行class中的字节码指令。

下面有一段简单的java源码,通过它来看一下java程序的运行流程:

class Person{

       private String name;
       private int age;

       public Person(int age, String name){
              this.age = age;
              this.name = name;
       }

       public void run(){
       }

}


interface IStudyable{
       public int study(int a, int b);
}

public class Student extends Person implements IStudyable{
       private static int cnt=5;

       static{
            cnt++;
       }

       private String sid;

       public Student(int age, String name, String sid){
              super(age,name);
              this.sid = sid;
       }

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

       public int study(int a, int b){
              int c = 10;
              int d = 20;
              return a+b*c-d;
       }

       public static int getCnt(){
              return cnt;
       }

       public static void main(String[] args){
              Student s = new Student(23,"dqrcsc","20150723");
              s.study(5,6);
              Student.getCnt();
              s.run();

       }

}

1、编辑源码

无论是使用记事本还是别的什么,编写上面的代码,然后保存到Student.java,我直接就放到桌面了

201808191001

2.编译生成class字节码文件

打开命令窗口,输入命令javac Student.java将该源码文件编译生成.class字节码文件。

201808191002

由于在源码文件中定义了两个类,一个接口,所以生成了3个.clsss文件:

201808191003

这样能在java虚拟机上运行的字节码文件就生成了

启动java虚拟机运行字节码文件

201808191004

在命令行中输入 java Student 这个命令,就启动了一个 java 虚拟机,然后加载 Student.class 字节码文件到内存,然后运行内存中的字节码指令了。

我们从编译到运行 java 程序,只输入了两个命令,甚至,如果使用集成开发环境,如 eclipse,只要 ctrl+s 保存就完成了增量编译,只需要按下一个按钮就运行了 java 程序。但是,在这些简单操作的背后还有一些操作……

201808191005

从源码到字节码

字节码文件,看似很微不足道的东西,却真正实现了 java 语言的跨平台。各种不同平台的虚拟机都统一使用这种相同的程序存储格式。更进一步说,jvm 运行的是 class 字节码文件,只要是这种格式的文件就行,所以,实际上 jvm 并不像我之前想象地那样与 java 语言紧紧地捆绑在一起。如果非常熟悉字节码的格式要求,可以使用二进制编辑器自己写一个符合要求的字节码文件,然后交给 jvm 去运行;或者把其他语言编写的源码编译成字节码文件,交给 jvm 去运行,只要是合法的字节码文件, jvm 都会正确地跑起来。所以,它还实现了跨语言……

通过 jClassLib 可以直接查看一个 .class 文件中的内容,也可以给 JDK 中的 javap 命令指定参数,来查看 .class 文件的相关信息:

javap –v Student

201808191006

好多输出,在命令行窗口查看不是太方便,可以输出重定向下:

javap –v Student > Student.class.txt

201808191007

桌面上多出了一个 Student.class.txt 文件,里面存放着便于阅读的Student.class文件中相关的信息

201808191008

里面的内容如下(部分):

201808191009

部分 class 文件内容,从上面图中,可以看到这些信息来自于 Student.class ,编译自 Student.java ,编译器的主版本号是 52,也就是 jdk1.8,这个类是 public ,然后是存放类中常量的常量池,各个方法的字节码等,这里就不一一记录了。

总之,我想说的就是字节码文件很简单很强大,它存放了这个类的各种信息:字段、方法、父类、实现的接口等各种信息。

2.Java 虚拟机的基本结构及其内存分区

Java 虚拟机要运行字节码指令,就要先加载字节码文件,谁来加载,怎么加载,加载到哪里……谁来运行,怎么运行,同样也要考虑……

2018081910010

上面是一个JVM的基本结构及内存分区的图,有点抽象,简单说明下:

JVM中把内存分为直接内存、方法区、Java栈、Java堆、本地方法栈、PC寄存器等。

  • 直接内存:就是原始的内存区
  • 方法区:用于存放类、接口的元数据信息,加载进来的字节码数据都存储在方法区
  • Java栈:执行引擎运行字节码时的运行时内存区,采用栈帧的形式保存每个方法的调用运行数据
  • 本地方法栈:执行引擎调用本地方法时的运行时内存区
  • Java堆:运行时数据区,各种对象一般都存储在堆上
  • PC寄存器:功能如同CPU中的PC寄存器,指示要执行的字节码指令。

JVM的功能模块主要包括类加载器、执行引擎和垃圾回收系统

类加载器加载 Student.class 到内存

  1. 类加载器会在指定的 classpath 中找到 Student.class 这个文件,然后读取字节流中的数据,将其存储在方法区中。
  2. 会根据 Student.class 的信息建立一个 Class 对象,这个对象比较特殊,一般也存放在方法区中,用于作为运行时访问 Student 类的各种数据的接口。
  3. 必要的验证工作,格式、语义等
  4. 为 Student 中的静态字段分配内存空间,也是在方法区中,并进行零初始化,即数字类型初始化为 0 ,boolean 初始化为 false,引用类型初始化为 null 等。在 Student.java 中只有一个静态字段: private static int cnt=5; 此时,并不会执行赋值为5的操作,而是将其初始化为0。
  5. 由于已经加载到内存了,所以原来字节码文件中存放的部分方法、字段等的符号引用可以解析为其在内存中的直接引用了,而不一定非要等到真正运行时才进行解析。
  6. 在编译阶段,编译器收集所有的静态字段的赋值语句及静态代码块,并按语句出现的顺序拼接出一个类初始化方法 <clinit>()。此时,执行引擎会调用这个方法对静态字段进行代码中编写的初始化操作。

在 Student.java 中关于静态字段的赋值及静态代码块有两处:

private static int cnt=5;
static{
    cnt++;
}

将按出现顺序拼接,形式如下:

void <clinit>(){
    cnt = 5;
    cnt++;
}

可以通过 jClassLib 这个工具看到生成的 <clinit>() 方法的字节码指令:

2018081910011

  • iconst_5 :指令把常数5入栈
  • putstatic #6:将栈顶的5赋值给 Student.cnt 这个静态字段
  • getstatic #6:获取Student.cnt这个静态字段的值,并将其放入栈顶
  • iconst_1:把常数1入栈
  • iadd:取出栈顶的两个整数,相加,结果入栈
  • putstatic #6:取出栈顶的整数,赋值给Student.cnt
  • return:从当前方法中返回,没有任何返回值。

从字节码来看,确实先后执行了 cnt =5cnt++ 这两行代码。

在这里有一点要注意的是,这里笼统的描述了下类的加载及初始化过程,但是,实际中,有可能只进行了类加载,而没有进行初始化工作,原因就是在程序中并没有访问到该类的字段及方法等。

此外,实际加载过程也会相对来说比较复杂,一个类加载之前要加载它的父类及其实现的接口:加载的过程可以通过java –XX:+TraceClassLoading参数查看:

如:java -XX:+TraceClassLoading Student,信息太多,可以重定向下:

2018081910012

查看输出的 loadClass.txt 文件:

2018081910013

可以看到最先加载的是 Object.class 这个类,当然了,所有类的父类。

2018081910014

直到第 390 行才看到自己定义的部分被加载,先是 Studen t实现的接口 IStudyable ,然后是其父类 Person ,然后才是 Student 自身,然后是一个启动类的加载,然后就是找到 main() 方法,执行了。

执行引擎找到 main()

要了解方法的运行,需要先稍微了解下 java 栈:

JVM 中通过 java 栈,保存方法调用运行的相关信息,每当调用一个方法,会根据该方法的在字节码中的信息为该方法创建栈帧,不同的方法,其栈帧的大小有所不同。栈帧中的内存空间还可以分为3块,分别存放不同的数据:

  • 局部变量表:存放该方法调用者所传入的参数,及在该方法的方法体中创建的局部变量。
  • 操作数栈:用于存放操作数及计算的中间结果等。
  • 其他栈帧信息:如返回地址、当前方法的引用等。

只有当前正在运行的方法的栈帧位于栈顶,当前方法返回,则当前方法对应的栈帧出栈,当前方法的调用者的栈帧变为栈顶;当前方法的方法体中若是调用了其他方法,则为被调用的方法创建栈帧,并将其压入栈顶。

2018081910015

注意:局部变量表及操作数栈的最大深度在编译期间就已经确定了,存储在该方法字节码的Code属性中。

简单查看 Student.main() 的运行过程

简单看下main()方法:

public static void main(String[] args){
    Student s = new Student(23,"dqrcsc","20150723");
    s.study(5,6);
    Student.getCnt();
    s.run();
}

对应的字节码,两者对照着看起来更易于理解些:

2018081910016

注意main()方法的这几个信息:

2018081910017

  • Mximum stack depth:指定当前方法即 main() 方法对应栈帧中的操作数栈的最大深度,当前值为5
  • Maximum local variables:指定main()方法中局部变量表的大小,当前为2,及有两个slot用于存放方法的参数及局部变量。
  • Code length:指定main()方法中代码的长度。

开始模拟main()中一条条字节码指令的运行:

创建栈帧:

2018081910018

局部变量表长度为 2,slot0 存放参数 args ,slot1 存放局部变量 Student s,操作数栈最大深度为 5。

new #7 指令:在 java 堆中创建一个 Student 对象,并将其引用值放入栈顶。

2018081910019

  • dup指令:复制栈顶的值,然后将复制的结果入栈。
  • bipush 23:将单字节常量值23入栈。
  • ldc #8:将#8这个常量池中的常量即”dqrcsc”取出,并入栈。
  • ldc #9:将#9这个常量池中的常量即”20150723”取出,并入栈。

2018081910020

invokespecial #10:调用#10这个常量所代表的方法,即Student.()这个方法

<init>() 方法,是编译器将调用父类的 <init>() 的语句、构造代码块、实例字段赋值语句,以及自己编写的构造方法中的语句整合在一起生成的一个方法。保证调用父类的 <init>() 方法在最开头,自己编写的构造方法语句在最后,而构造代码块及实例字段赋值语句按出现的顺序按序整合到 <init>() 方法中。

2018081910021

注意到 Student.<init>() 方法的最大操作数栈深度为 3,局部变量表大小为 4。

此时需注意:从 dup 到 ldc #9 这四条指令向栈中添加了4个数据,而Student.()方法刚好也需要4个参数:

public Student(int age, String name, String sid){
    super(age,name);
    this.sid = sid;

}

虽然定义中只显式地定义了传入3个参数,而实际上会隐含传入一个当前对象的引用作为第一个参数,所以四个参数依次为this,age,name,sid。

上面的4条指令刚好把这四个参数的值依次入栈,进行参数传递,然后调用了Student.()方法,会创建该方法的栈帧,并入栈。栈帧中的局部变量表的第0到4个slot分别保存着入栈的那四个参数值。

创建 Studet.<init>() 方法的栈帧:

2018081910022

Student.()方法中的字节码指令:

2018081910023

  • aload_0:将局部变量表slot0处的引用值入栈
  • aload_1:将局部变量表slot1处的int值入栈
  • aload_2:将局部变量表slot2处的引用值入栈

2018081910024

  • invokespecial #1:调用Person.()方法,同调用Student.过程类似,创建栈帧,将三个参数的值存放到局部变量表等,这里就不画图了……

从Person.()返回之后,用于传参的栈顶的3个值被回收了。

  • aload_0:将slot0处的引用值入栈。
  • aload_3:将slot3处的引用值入栈。

2018081910025

  • putfield #2:将当前栈顶的值”20150723”赋值给0x2222所引用对象的sid字段,然后栈中的两个值出栈。
  • return:返回调用方,即main()方法,当前方法栈帧出栈。

重新回到main()方法中,继续执行下面的字节码指令:

astore_1:将当前栈顶引用类型的值赋值给slot1处的局部变量,然后出栈。

2018081910026

  • aload_1:slot1处的引用类型的值入栈
  • iconst_5:将常数5入栈,int型常数只有0-5有对应的iconst_x指令
  • bipush 6:将常数6入栈

20180819100027

  • invokevirtual #11:调用虚方法study(),这个方法是重写的接口中的方法,需要动态分派,所以使用了invokevirtual指令。

创建study()方法的栈帧:

2018081910028

最大栈深度3,局部变量表5
2018081911002

方法的java源码:

public int study(int a, int b){
    int c = 10;
    int d = 20;
    return a+b*c-d;

}

对应的字节码:
2018081911001

注意到这里,通过 jClassLib 工具查看的字节码指令有点问题,与源码有偏差……

改用通过命令 javap –v Student 查看 study() 的字节码指令:

2018081910030

  • bipush 10:将10入栈
  • istore_3:将栈顶的10赋值给slot3处的int局部变量,即c,出栈。
  • bipush 20:将20入栈
  • istore 4:将栈顶的20付给slot4处的int局部变量,即d,出栈。

上面4条指令,完成对c和d的赋值工作。

iload_1、iload_2、iload_3这三条指令将slot1、slot2、slot3这三个局部变量入栈:

2018081910031

  • imul:将栈顶的两个值出栈,相乘的结果入栈:

2018081910032

  • iadd:将当前栈顶的两个值出栈,相加的结果入栈
  • iload 4:将slot4处的int型的局部变量入

2018081910033

  • isub:将栈顶两个值出栈,相减结果入栈:
  • ireturn:将当前栈顶的值返回到调用方。

2018081910034

重新回到main()方法中:

  • pop指令,将study()方法的返回值出栈
  • invokestatic #12 调用静态方法getCnt()不需要传任何参数
  • pop:getCnt()方法有返回值,将其出栈
  • aload_1:将slot1处的引用值入栈
  • invokevirtual #13:调用0x2222对象的run()方法,重写自父类的方法,需要动态分派,所以使用invokevirtual指令
  • return:main()返回,程序运行结束。

以上,就是一个简单程序运行的大致过程

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