JVM(三): 类加载与字节码技术

1. 类文件结构

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

执行 javac -parameters -d . HellowWorld.java
编译为 HelloWorld.class 后是这个样子的：

[root@localhost ~]# od -t xC HelloWorld.class
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07
0000040 00 1c 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 12 4c 6f 63
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01
0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63
0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16
0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13
0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46
0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74
0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61
0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76
0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a
0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01
0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00
0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00
0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00
0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00
0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a
0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b
0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00
0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00
0001120 00 00 02 00 14

根据 JVM 规范，类文件结构如下：

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];
}

1.1 魔数

0~3 字节，表示它是否是【class】类型的文件
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.2 版本

4~7 字节，表示类的版本 00 34（52） 表示是 Java 8
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.3 常量池

8~9 字节，表示常量池长度，00 23 （35） 表示常量池有 #1~#34 项，注意 #0 项不计入，也没有值
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第#1 项 0a 表示一个 Method 信息，00 06 和 00 15（21） 表示它引用了常量池中 #6 和 #21 项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第#2 项 09 表示一个 Field 信息，00 16（22）和 00 17（23） 表示它引用了常量池中 #22 和 # 23 项 来获得这个成员变量的【所属类】和【成员变量名】
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#3 项 08 表示一个字符串常量名称，00 18（24）表示它引用了常量池中 #24 项
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#4 项 0a 表示一个 Method 信息，00 19（25） 和 00 1a（26） 表示它引用了常量池中 #25 和 #26 项来获得这个方法的【所属类】和【方法名】
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#5 项 07 表示一个 Class 信息，00 1b（27） 表示它引用了常量池中 #27 项
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

第#6 项 07 表示一个 Class 信息，00 1c（28） 表示它引用了常量池中 #28 项
0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07
0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

第#7 项 01 表示一个 utf8 串，00 06 表示长度，3c 69 6e 69 74 3e 是【 】
0000040 00 1c 01 00 06 3c 69 6e 69 74 3e 01 00 03 28 29

第#8 项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，28 29 56 是【()V】其实就是表示无参、无返回值
0000040 00 1c 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

第#9 项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，43 6f 64 65 是【Code】
0000060 56 01 00 04 43 6f 64 65 01 00 0f 4c 69 6e 65 4e

第#10 项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，4c 69 6e 65 4e 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 是【LineNumberTable】
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 12 4c 6f 63

第#11 项 01 表示一个 utf8 串，00 12（18） 表示长度，4c 6f 63 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 是【LocalVariableTable】
0000100 75 6d 62 65 72 54 61 62 6c 65 01 00 12 4c 6f 63
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01

第#12 项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【this】
0000120 61 6c 56 61 72 69 61 62 6c 65 54 61 62 6c 65 01 0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63

第#13 项 01 表示一个 utf8 串，00 1d（29） 表示长度，是【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】
0000140 00 04 74 68 69 73 01 00 1d 4c 63 6e 2f 69 74 63
0000160 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c 6f

第#14 项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，74 68 69 73 是【main】
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16

第#15 项 01 表示一个 utf8 串，00 16（22） 表示长度，是【([Ljava/lang/String;)V】其实就是参数为字符串数组，无返回值
0000200 57 6f 72 6c 64 3b 01 00 04 6d 61 69 6e 01 00 16 0000220 28 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

第#16 项 01 表示一个 utf8 串，00 04 表示长度，是【args】
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13

第#17 项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【[Ljava/lang/String;】
0000240 69 6e 67 3b 29 56 01 00 04 61 72 67 73 01 00 13
0000260 5b 4c 6a 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61

第#18 项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【MethodParameters】
0000300 6e 67 3b 01 00 10 4d 65 74 68 6f 64 50 61 72 61
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46

第#19 项 01 表示一个 utf8 串，00 0a（10） 表示长度，是【SourceFile】
0000320 6d 65 74 65 72 73 01 00 0a 53 6f 75 72 63 65 46 0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64

第#20 项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【HelloWorld.java】
0000340 69 6c 65 01 00 0f 48 65 6c 6c 6f 57 6f 72 6c 64
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#21 项 0c 表示一个 【名+类型】，00 07 00 08 引用了常量池中 #7 #8 两项
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#22 项 07 表示一个 Class 信息，00 1d（29） 引用了常量池中 #29 项
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e

第#23 项 0c 表示一个 【名+类型】，00 1e（30） 00 1f （31）引用了常量池中 #30 #31 两项
0000360 2e 6a 61 76 61 0c 00 07 00 08 07 00 1d 0c 00 1e
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

第#24 项 01 表示一个 utf8 串，00 0f（15） 表示长度，是【hello world】
0000400 00 1f 01 00 0b 68 65 6c 6c 6f 20 77 6f 72 6c 64

第#25 项 07 表示一个 Class 信息，00 20（32） 引用了常量池中 #32 项
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

第#26 项 0c 表示一个 【名+类型】，00 21（33） 00 22（34）引用了常量池中 #33 #34 两项
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74

第#27 项 01 表示一个 utf8 串，00 1b（27） 表示长度，是【cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld】
0000420 07 00 20 0c 00 21 00 22 01 00 1b 63 6e 2f 69 74
0000440 63 61 73 74 2f 6a 76 6d 2f 74 35 2f 48 65 6c 6c
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61

第#28 项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/Object】
0000460 6f 57 6f 72 6c 64 01 00 10 6a 61 76 61 2f 6c 61
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61

第#29 项 01 表示一个 utf8 串，00 10（16） 表示长度，是【java/lang/System】
0000500 6e 67 2f 4f 62 6a 65 63 74 01 00 10 6a 61 76 61
0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f

第#30 项 01 表示一个 utf8 串，00 03 表示长度，是【out】 0000520 2f 6c 61 6e 67 2f 53 79 73 74 65 6d 01 00 03 6f
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72

第#31 项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【Ljava/io/PrintStream;】
0000540 75 74 01 00 15 4c 6a 61 76 61 2f 69 6f 2f 50 72
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76

第#32 项 01 表示一个 utf8 串，00 13（19） 表示长度，是【java/io/PrintStream】
0000560 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d 3b 01 00 13 6a 61 76
0000600 61 2f 69 6f 2f 50 72 69 6e 74 53 74 72 65 61 6d

第#33 项 01 表示一个 utf8 串，00 07 表示长度，是【println】
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a

第#34 项 01 表示一个 utf8 串，00 15（21） 表示长度，是【(Ljava/lang/String;)V】
0000620 01 00 07 70 72 69 6e 74 6c 6e 01 00 15 28 4c 6a
0000640 61 76 61 2f 6c 61 6e 67 2f 53 74 72 69 6e 67 3b
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

1.4 访问标识与继承信息

21 表示该 class 是一个类，公共的
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
05 表示根据常量池中 #5 找到本类全限定名
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
06 表示根据常量池中 #6 找到父类全限定名
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
表示接口的数量，本类为 0
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

1.5 Field 信息

表示成员变量数量，本类为 0
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

1.6 Method 信息

表示方法数量，本类为 2
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01

一个方法由 访问修饰符，名称，参数描述，方法属性数量，方法属性组成
0000660 29 56 00 21 00 05 00 06 00 00 00 00 00 02 00 01
0000700 00 07 00 08 00 01 00 09 00 00 00 2f 00 01 00 01
0000720 00 00 00 05 2a b7 00 01 b1 00 00 00 02 00 0a 00
0000740 00 00 06 00 01 00 00 00 04 00 0b 00 00 00 0c 00
0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00

• 00 01 代表访问修饰符（本类中是 public）
• 00 07 代表引用了常量池 #07 项作为方法名称
• 00 08 代表引用了常量池 #08 项作为方法参数描述
• 00 01 代表方法属性数量，本方法是 1

方法属性

• 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性
• 00 00 00 2f 表示此属性的长度是 47
• 00 01 表示【操作数栈】最大深度
• 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数
• 2a b7 00 01 b1 是字节码指令
• 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2
• 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性
• 00 00 00 06 表示此属性的总长度，本例是 6
• 00 01 表示【LineNumberTable】长度
• 00 00 表示【字节码】行号 00 04 表示【java 源码】行号
• 0 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性
• 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12
• 00 01 表示【LocalVariableTable】长度
• 00 00 表示局部变量生命周期开始，相对于字节码的偏移量
• 00 05 表示局部变量覆盖的范围长度
• 00 0c 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #12 项，是【this】
• 00 0d 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #13 项，是 【Lcn/itcast/jvm/t5/HelloWorld;】
• 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

0000760 01 00 00 00 05 00 0c 00 0d 00 00 00 09 00 0e 00
0001000 0f 00 02 00 09 00 00 00 37 00 02 00 01 00 00 00
0001020 09 b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 00 00 00 02 00 0a
0001040 00 00 00 0a 00 02 00 00 00 06 00 08 00 07 00 0b
0001060 00 00 00 0c 00 01 00 00 00 09 00 10 00 11 00 00

• 00 09 代表访问修饰符（本类中是 public static）
• 00 0e 代表引用了常量池 #14 项作为方法名称
• 00 0f 代表引用了常量池 #15 项作为方法参数描述
• 00 02 代表方法属性数量，本方法是 2

方法属性（属性 1）

• 00 09 表示引用了常量池 #09 项，发现是【Code】属性
• 00 00 00 37 表示此属性的长度是 55
• 00 02 表示【操作数栈】最大深度
• 00 01 表示【局部变量表】最大槽（slot）数
• 00 00 00 05 表示字节码长度，本例是 9
• b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1 是字节码指令
• 00 00 00 02 表示方法细节属性数量，本例是 2
• 00 0a 表示引用了常量池 #10 项，发现是【LineNumberTable】属性
• 00 00 00 0a 表示此属性的总长度，本例是 10
• 00 02 表示【LineNumberTable】长度
• 00 00 表示【字节码】行号 00 06 表示【java 源码】行号
• 00 08 表示【字节码】行号 00 07 表示【java 源码】行号
• 00 0b 表示引用了常量池 #11 项，发现是【LocalVariableTable】属性
• 00 00 00 0c 表示此属性的总长度，本例是 12
• 00 01 表示【LocalVariableTable】长度
• 00 10 表示局部变量名称，本例引用了常量池 #16 项，是【args】
• 00 11 表示局部变量的类型，本例引用了常量池 #17 项，是【[Ljava/lang/String;】
• 00 00 表示局部变量占有的槽位（slot）编号，本例是 0

0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00
0001120 00 00 02 00 14
方法属性（属性 2）

• 00 12 表示引用了常量池 #18 项，发现是【MethodParameters】属性
• 00 00 00 05 表示此属性的总长度，本例是 5
• 01 参数数量
• 00 10 表示引用了常量池 #16 项，是【args】
• 00 00 访问修饰符

1.7 附加属性

0001100 00 12 00 00 00 05 01 00 10 00 00 00 01 00 13 00
0001120 00 00 02 00 14

• 00 01 表示附加属性数量
• 00 13 表示引用了常量池 #19 项，即【SourceFile】
• 00 00 00 02 表示此属性的长度
• 00 14 表示引用了常量池 #20 项，即【HelloWorld.java】

参考文献 https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html

2. 字节码指令

2.1 入门

2.2 javap 工具

Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件

[root@localhost ~]# javap -v HelloWorld.class
Classfile /root/HelloWorld.class
Last modified Jul 7, 2019; size 597 bytes
MD5 checksum 361dca1c3f4ae38644a9cd5060ac6dbc
Compiled from "HelloWorld.java"
public class cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
    #1 = Methodref #6.#21 // java/lang/Object."<init>":()V
    #2 = Fieldref #22.#23 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    #3 = String #24 // hello world
    #4 = Methodref #25.#26 // java/io/PrintStream.println: (Ljava/lang/String;)V
    #5 = Class #27 // cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
    #6 = Class #28 // 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/t5/HelloWorld;
    #16 = Utf8 args
    #17 = Utf8 [Ljava/lang/String;
    #18 = Utf8 MethodParameters
    #19 = Utf8 SourceFile
    #20 = Utf8 HelloWorld.java
    #21 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
    #22 = Class #29 // java/lang/System
    #23 = NameAndType #30:#31 // out:Ljava/io/PrintStream;
    #24 = Utf8 hello world
    #25 = Class #32 // java/io/PrintStream
    #26 = NameAndType #33:#34 // println:(Ljava/lang/String;)V
    #27 = Utf8 cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
    #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 (Ljava/lang/String;)V
{
    public cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld();
        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/t5/HelloWorld;

    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 #2 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
            3: ldc #3 // String hello world
            5:invokevirtual#4
            // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
            8: return
            LineNumberTable:
            line 6: 0
            line 7: 8
            LocalVariableTable:
            Start Length Slot Name Signature
            0      9      0     args [Ljava/lang/String;
            MethodParameters:
            Name Flags
            args
}

2.3 图解方法执行流程

编译后的字节码文件

[root@localhost ~]# javap -v Demo3_1.class
Classfile /root/Demo3_1.class
Last modified Jul 7, 2019; size 665 bytes
MD5 checksum a2c29a22421e218d4924d31e6990cfc5
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.#26 // java/lang/Object."<init>":()V
    #2 = Class #27 // java/lang/Short
    #3 = Integer 32768
    #4 = Fieldref #28.#29 // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
    #5 = Methodref #30.#31 // java/io/PrintStream.println:(I)V
    #6 = Class #32 // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
    #7 = Class #33 // 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
    #22 = Utf8 c
    #23 = Utf8 MethodParameters
    #24 = Utf8 SourceFile
    #25 = Utf8 Demo3_1.java
    #26 = NameAndType #8:#9 // "<init>":()V
    #27 = Utf8 java/lang/Short
    #28 = Class #34 // java/lang/System
    #29 = NameAndType #35:#36 // out:Ljava/io/PrintStream;
    #30 = Class #37 // java/io/PrintStream
    #31 = NameAndType #38:#39 // println:(I)V
    #32 = Utf8 cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1
    #33 = Utf8 java/lang/Object
    #34 = Utf8 java/lang/System
    #35 = Utf8 out
    #36 = Utf8 Ljava/io/PrintStream;
    #37 = Utf8 java/io/PrintStream
    #38 = Utf8 println
    #39 = 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 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
            MethodParameters:
            Name Flags
            args
}

原始 java 代码

2.4 条件判断指令

几点说明：

• byte，short，char 都会按 int 比较，因为操作数栈都是 4 字节
• goto 用来进行跳转到指定行号的字节码

2.5 循环控制指令

2.6 构造方法

public class Demo3_8_1 {
    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 ()V ，()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用：

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

public class Demo3_8_2 {
    private String a = "s1";
    {
        b = 20;
    }
    private int b = 10;
    {
        a = "s2";
    }
    public Demo3_8_2(String a, int b) {
        this.a = a;
        this.b = b;
    }
    public static void main(String [] args) {
        Demo3_8_2 d = new Demo3_8_2(“s3”, 30);
        System.out.println(d.a);
        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 cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_8_2(java.lang.String, int);
    descriptor: (Ljava/lang/String;I)V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
        stack=2, locals=3, args_size=3
        0: aload_0
        1: invokespecial #1 // super.<init>()V
        4: aload_0
        5: ldc #2 // <- "s1"
        7: putfield #3 // -> this.a
        10: aload_0
        11: bipush 20 // <- 20
        13: putfield #4 // -> this.b
        16: aload_0
        17: bipush 10 // <- 10
        19: putfield #4 // -> this.b
        22: aload_0
        23: ldc #5 // <- "s2"
        25: putfield #3 // -> this.a
        28: aload_0 // ------------------------------
        29: aload_1 // <- slot 1(a) "s3" |
        30: putfield #3 // -> this.a |
        33: aload_0 |
        34: iload_2 // <- slot 2(b) 30 |
        35: putfield #4 // -> this.b --------------------
        38: return
        LineNumberTable: ...
        LocalVariableTable:
        Start Length Slot Name Signature
        0 39 0 this Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_8_2;
        0 39 1 a Ljava/lang/String;
        0 39 2 b I
        MethodParameters: ...

2.7 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() { }
    public static void main(String[] args) {
        Demo3_9 d = new Demo3_9();
        d.test1();
        d.test2();
        d.test3();
        d.test4();
        Demo3_9.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 “”:()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（fifinal），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

0: new #2 // class cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_9
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

package cn.itcast.jvm.t3.bytecode;
import java.io.IOException;
/* -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers 禁用指针压缩
*/
public class Demo3_10 {
    public static void test(Animal animal) {
        animal.eat();
        System.out.println(animal.toString());
    }
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        test(new Cat());
        test(new Dog());
        System.in.read();
    }
}
abstract class Animal {
    public abstract void eat();
    @Override
    public String toString() {
      return "我是" + this.getClass().getSimpleName();
    }
}
class Dog extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
      System.out.println("啃骨头");
    }
}
class Cat extends Animal {
    @Override
    public void eat() {
      System.out.println("吃鱼");
    }
}

1）运行代码
停在 System.in.read() 方法上，这时运行 jps 获取进程 id
2）运行 HSDB 工具
进入 JDK 安装目录，执行
java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
进入图形界面 attach 进程 id 3）查找某个对象 打开 Tools -> Find Object By Query
输入 select d from cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Dog d 点击 Execute 执行
4）查看对象内存结构
点击超链接可以看到对象的内存结构，此对象没有任何属性，因此只有对象头的 16 字节，前 8 字节是 MarkWord，后 8 字节就是对象的 Class 指针，但目前看不到它的实际地址

可以通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行
mem 0x00000001299b4978 2
mem 有两个参数，参数 1 是对象地址，参数 2 是查看 2 行（即 16 字节）
结果中第二行 0x000000001b7d4028 即为 Class 的内存地址

6）查看类的 vtable
方法 1：Alt+R 进入 Inspector 工具，输入刚才的 Class 内存地址，看到如下界面

方法 2：或者 Tools -> Class Browser 输入 Dog 查找，可以得到相同的结果
无论通过哪种方法，都可以找到 Dog Class 的 vtable 长度为 6，意思就是 Dog 类有 6 个虚方法（多态相关的，fifinal，static 不会列入） 那么这 6 个方法都是谁呢？从 Class 的起始地址开始算，偏移 0x1b8 就是 vtable 的起始地址，进行计算得到：

0x000000001b7d4028
1b8 +
---------------------
0x000000001b7d41e0

通过 Windows -> Console 进入命令行模式，执行

mem 0x000000001b7d41e0 6
0x000000001b7d41e0: 0x000000001b3d1b10
0x000000001b7d41e8: 0x000000001b3d15e8
0x000000001b7d41f0: 0x000000001b7d35e8
0x000000001b7d41f8: 0x000000001b3d1540
0x000000001b7d4200: 0x000000001b3d1678
0x000000001b7d4208: 0x000000001b7d3fa8

就得到了 6 个虚方法的入口地址

7）验证方法地址
通过 Tools -> Class Browser 查看每个类的方法定义，比较可知

Dog - public void eat() @0x000000001b7d3fa8
Animal - public java.lang.String toString() @0x000000001b7d35e8;
Object - protected void finalize() @0x000000001b3d1b10;
Object - public boolean equals(java.lang.Object) @0x000000001b3d15e8;
Object - public native int hashCode() @0x000000001b3d1540;
Object - protected native java.lang.Object clone() @0x000000001b3d1678;

8）小结 当执行 invokevirtual 指令时，

1. 先通过栈帧中的对象引用找到对象
2. 分析对象头，找到对象的实际 Class
3. 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
4. 查表得到方法的具体地址
5. 执行方法的字节码

2.9 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;
        }
    }
}

• 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

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
        Exception table:
        from to target type
        2 5 8 Class java/lang/Exception
        LineNumberTable: ...
        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: ...
        MethodParameters: ...

多个 single-catch 块的情况

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;
        }
    }
}

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: ...
        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: ...
        MethodParameters: ...

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
        2: ldc #3
        4: iconst_0
        5: anewarray #4
        8: invokevirtual #5
        11: astore_1
        12: aload_1
        13: aconst_null
        14: iconst_0
        15: anewarray #6
        18: invokevirtual #7
        21: pop
        22: goto 30
        25: astore_1
        26: aload_1
        27: invokevirtual #11 // e.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: ...
        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: ...
        MethodParameters: ...

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 Exceptin -> e ----------------------
        12: bipush 20 //
        14: istore_1 // 20 -> i |
        15: bipush 30 // finally |
        17: istore_1 // 30 -> i |
        18: goto 27 // return -----------------------------------
        21: astore_3 // catch any -> slot 3 ----------------------
        22: bipush 30 // finally |
        24: istore_1 // 30 -> i |
        25: aload_3 // <- slot 3 |
        26: athrow // throw ------------------------------------
        27: return
        Exception table:
        from to target type
        2 5 11 Class java/lang/Exception
        2 5 21 any // 剩余的异常类型，比如 Error
        11 15 21 any // 剩余的异常类型，比如 Error
        LineNumberTable: ...
        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: ...
        MethodParameters: ...

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

finally 出现了 return

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;
      }
    }
}

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
        istore_0 // 10 -> slot 0 (从栈顶移除了)
        3: bipush
        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
        LineNumberTable: ...
        StackMapTable: ...

• 由于 finally 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，可以试一下下面的代码

public class Demo3_12_1 {
    public static void main(String[] args) {
        int result = test();
        System.out.println(result);
    }
    public static int test() {
        try {
            int i = 1/0;
            return 10;
        } finally {
            return 20;
        }
    }
}

finally 对返回值影响

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;
        }
    }
}

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，目的是为了固定返回值
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
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
3 13 0 i I
StackMapTable: ...

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
4: invokespecial #1 // invokespecial <init>:()V
7: astore_1 // lock引用 -> lock
8: aload_1 // <- lock （synchronized开始）
9: dup
10: astore_2 // lock引用 -> slot 2
11: monitorenter // monitorenter(lock引用)
12: getstatic #3 // <- System.out
15: ldc
#4 // <- "ok"
java/lang/String;)V
20: aload_2 // <- slot 2(lock引用)
21: monitorexit // monitorexit(lock引用)
22: goto 30
25: astore_3 // any -> slot 3
26: aload_2 // <- slot 2(lock引用)
27: monitorexit // monitorexit(lock引用)
28: aload_3
29: athrow
30: return
Exception table:
from to target type
12 22 25 any
25 28 25 any
LineNumberTable: ...
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 31 0 args [Ljava/lang/String;
8 23 1 lock Ljava/lang/Object;
StackMapTable: ...
MethodParameters: ...

注意
方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

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 {
}

编译成 class 后的代码：

public class Candy1 {
    // 这个无参构造是编译器帮助我们加上的
    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， 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 cn.itcast.jvm.t3.candy.Candy3();
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/candy/Candy3;
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: 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 8: 0
line 9: 8
line 10: 20
line 11: 31
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 32 0 args [Ljava/lang/String;
8 24 1 list Ljava/util/List;
LocalVariableTypeTable:
Start Length Slot Name Signature
8 24 1 list Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;

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) {
    Method test = Candy3.class.getMethod("test", List.class, Map.class);
    Type[] types = test.getGenericParameterTypes();
    for (Type type : types) {
        if (type instanceof ParameterizedType) { //是否是泛型类型
            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

只能得到方法参数，返回值的泛型信息。

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);
        }
    }
}

而集合的循环：

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();
        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": {
            break;
            }
            case "world": {
            System.out.println("w");
            break;
            }
        }
    }
}

注意 switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为 null，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清楚会被编译器转换为：

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;
            }
         }
    }
}

会被编译器转换为：

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

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;
        }
    }
}

转换后代码：

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};
    }
    /**
    * Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
    * It is for use by code emitted by the compiler in response to
    * enum type declarations.
    *
    * @param name - The name of this enum constant, which is the identifier
    * used to declare it.
    * @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position
    * in the enum declaration, where the initial constant is
    assigned
    */
    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，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，保存了两个异常
                            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：

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)

如以上代码所示，两个异常信息都不会丢。

3.10 方法重写时的桥接方法

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

public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}

转换后代码：

// 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，x 属性不应该再发生变化了，如果变化，那么 valx 属性没有机会再跟着一起变化。

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 klass 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
  

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，在控制台运行

E:\git\jvm\out\production\jvm>java cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value
3405691578 in class file cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
    at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
    at
    java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
    at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:467)
    at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:368)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:362)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:361)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
    at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:331)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)

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
• 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

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用

package cn.itcast.jvm.t3.load;
/**
* 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();
        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】

• 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 fifinal 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

实验

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");
    }
}

验证（实验时请先全部注释，每次只执行其中一个）

public class Load3 {
    static {
        System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量（基本类型和字符串）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.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.B", false, c2);
        // 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.B");
    }
}

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员
    public static Singleton getInstance() {
        return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

5.类加载器

5.1 启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
    public class F {
    static {
        System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

执行

package cn.itcast.jvm.t3.load;
    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());
    }
}

输出

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5
bootstrap F init
null //null说明是bootstrap加载器，因为它是C++，不能直接获取

• -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:
  • java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
  • java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

5.2 扩展类加载器

package cn.itcast.jvm.t3.load;
    public class G {
    static {
        System.out.println("classpath G init");
    }
}

执行

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

package cn.itcast.jvm.t3.load;
    public class G {
    static {
        System.out.println("ext G init");
    }
}

打个 jar 包，因为扩展类加载器下的加载必须是 jar 包模式

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 双亲委派模式

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

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 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) {

        }
        if (c == null) {
            long t1 = System.nanoTime();
            // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
            c = findClass(name);
            // 5. 记录耗时
            sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
            sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
            sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}