JVMday03类文件结构 字节码指令 多态的原理 异常 synchronized代码块底层原理

Posted 2021-06-26 halulu.me

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类文件结构

查看二进制字节码的命令(linux)

类文件结构

1、魔术（magic)

不同的文件有自己的魔术信息，魔术就是标识这个文件属于什么类型。而java文件的魔术就是cafebabe，占4个字节（u4）。

2、版本

minor_version 小版本：00 00 （u2）
major_version 主版本：00 34 （u2）
00 34 的十进制就是52，代表的是jdk1.8

3、常量池（constant_pool）

常量池中包括各种信息：方法的信息，成员变量的信息，类的信息，构造器的信息，父类的信息。

常量池中的17中数据类型（详细）

<init>就是构造方法
utf-8后面2字节代表长度，代指要读几个字节。

4、访问标识（access_flags）

00 21 代表 00 01 + 00 20 ，表示这个类是public的，占2个字节

5、本类全限定名（this_class）

根据常量池查找。
Java类包的定名：com.halulu.test.Hello，从最原始最上层的地方援引到具体的对象，这就是全限定名了。
占2个字节

6、父类的全限定名（super_class）

根据常量池查找。
占2个字节

7、接口数量（interface）

占2个字节

8、成员变量（fields）

flelds_count:成员变量的数量，占2个字节

9、方法（methods）

method_count :方法数量，占2个字节

10、附加属性(attributes)

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字节码指令

工具

javap -v xxx.class

aload 加载变量
getstatic 从运行时常量池中找到成员变量（堆）的引用。（并不会把成员变量直接放进栈中，而是堆中成员变量的引用放入栈中）
putstatic 将栈中的数值赋值给常量池中成员变量
bipush 将一个byte压入操作数栈中（其长度会补齐4个字节）
sipush 讲一个short压入操作数栈中（其长度会补齐4个字节）
ldc 将一个int 压入操作数栈中（找到常量池中的属性，然后压入操作数栈）
idc2_w 将一个long压入操作数栈中（分2次压入，因为long是8字节）
athrow 抛出异常

monitorenter 加锁
monitorexit 解锁

invokespecial 预备调用构造方法（静态绑定，直接确定方法）
invokevirtual 预备调用成员方法，然后会分配一个新的栈帧（动态绑定，普通方法可能会发生方法重写，所以在编译期间不能确定调用何种方法，需要在运行的时候才能确定）（vtable中）
invokerstatic 调用静态方法（静态绑定，直接确定方法）

new 在堆空间分配内存，然后把对象的引用放入操作数栈
dup 把栈顶的地址进行复制
pop出栈

istore 1 代表把栈顶中的数值放到槽位1中（slot）
iload 1 代表把槽位1中的值读取到操作数栈上
iadd 代表加法运算
iinc 直接在局部变量槽位slot上运行(iinc 1,1 第一个数组代表对哪个槽位自增，第二数代表自增多少)
小的数字和字节码指令存放在一起，超过short范围的数字存入了常量池

条件判断指令

byte、short、char会自动补齐4位字节，按int进行条件判断

循环控制指令

iconst_0 代表常量0
int 取值 0~5 时，JVM采用 iconst_0、iconst_1、iconst_2、iconst_3、iconst_4、iconst_5指令将常量压入栈中；
goto 2 代表跳到第2行代码
while和for循环的字节码指令是一样的

short类型以下的数字是跟字节码指令存储在一起的，并不会放在常量池中，short类型之上的数字才会放在常量池中，常量池随着类的加载会放入运行时常量池中。

从字节码角度分析a++ ,++a

a++ 和 ++ a的区别在于先执行iload 还是先执行 iinc.

istore_1 存放a
istore_2 存放b

案例：a = a++

    public static void main(String[] args) {
        int a = 0;
        int i = 0;
        int b = 0;
        while (i < 5){
            a = a++; //0  ,iload , iinc , istore
            b = ++b; //5 , iinc , iload ,istore   
            i++;
        }
        System.out.println(a);
        System.out.println(b);
    }

1、a的初始值是0，
2、iload_1将a加载到栈中，此时栈中的值为0,
3、iinc 1,1 槽位中的a+1 变为1 ，此时栈中的值依旧为0，
4、istore_1 将栈中的0顶替槽位slot中的1，此时槽位中的a就变为0了

构造器的原理

public class Demo2 {
    static int a = 10;
    static {
        a = 20;
    }
    static {
        a = 30;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a); // 30
    }
}

这三个static在编译阶段会合并成一个<cinit>方法，顺序是从上往下

---

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<init>，但原始构造方法内的代码总是在最后。

多态的原理

工具

1、jps获取进程
2、java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB

当执行invokevirtual指令时（多态）：
1、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(虚方法表)，它在类加载的链接阶段就已经按照方法重写的规则生成
4、查表可以的得到多态方法的具体地址
5、执行方法的字节码

异常

1、单个Catch块

exception table 异常表

代码从第2行运行到第4行的时候，会跟type中的exception进行匹配，如果匹配通过，就会进入第8行，也就是catch块，如果不通过，就跳过（error或者throwable与exception是匹配不上的）。

2、多个catch块

过程跟单个catch块一致，会依次进行匹配。

3、multi-catch块

4、finally块

1、如果异常是exctption，那么会把finally块中的字节码放在try块或者catch块的后面，注意是在return块之前。（保证一定会被执行）
2、如果异常是throwable或者error（不会与exception匹配），try块或者Catch块会与any进行匹配，然后通过，运行finally块（保证一定会执行）
3、try-catch-finally会被分为3个分支：try分支，catch分支，catch匹配不到的分支。然后finally块中的代码会被复制3份，分别放入这3个分支中，保证finally块一定会被执行。

案例1：finally出现了return

案例2：finally中的return会吞掉athrow（不会抛出异常）

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

    public static int test() {
        try {
            int i = 1/0;
            return 10;
        } catch (Exception e){
            return 30;
        }finally {
            return 20;
        }
    }

finally中的return会吞掉异常athrow，会导致代码运行并不会抛出异常，尽量不在finally中使用return。

案例3

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

    public static int test() {
        int i = 10;
        try {
            return i;   // 10 , 返回值固定
       } finally {
            i = 20;  //槽位的数值变化
        }
    }

返回值固定，这个时候finally仅仅只是改变了槽位上的值，并没有改变栈顶上的值，而return返回的是栈顶上的值。

synchronized代码块底层原理

    public static void main(String[] args) {
        Object lock = new Object();
        synchronized (lock) {
            System.out.println("ok");
        }
    }

1、方法级别的synchronized不会再字节码指令中体现。
2、monitorenter 与 monitorexit 加载到同个类型的锁对象才会通过
3、如果抛出异常，也会确保monitorexit 加载到同一个类型得到锁对象（确保一定会被解锁，然后抛出异常）