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    Java字节码浅析(—)

    英文原文链接,译文链接,原文作者:James Bloom,译者:有孚

    明白Java代码是如何编译成字节码并在JVM上运行的非常重要,这有助于理解程序运行的时候究竟发生了些什么。理解这点不仅能搞清语言特性是如何实现的,并且在做方案讨论的时候能清楚相应的副作用及权衡利弊。

    本文介绍了Java代码是如何编译成字节码并在JVM上执行的。想了解JVM的内部结构以及字节码运行时用到的各个内存区域,可以看下我前面的一篇关于JVM内部细节的文章。

    本文分为三部分,每一部分都分成几个小节。每个小节都可以单独阅读,不过由于一些概念是逐步建立起来的,如果你依次阅读完所有章节会更简单一些。每一节都会覆盖到Java代码中的不同结构,并详细介绍了它们是如何编译并执行的。

    1. 第一部分, 基础概念

    变量

    局部变量

    JVM是一个基于栈的架构。方法执行的时候(包括main方法),在栈上会分配一个新的帧,这个栈帧包含一组局部变量。这组局部变量包含了方法运行过程中用到的所有变量,包括this引用,所有的方法参数,以及其它局部定义的变量。对于类方法(也就是static方法)来说,方法参数是从第0个位置开始的,而对于实例方法来说,第0个位置上的变量是this指针。

    局部变量可以是以下这些类型:

    * char
    * long
    * short
    * int
    * float
    * double
    * 引用
    * 返回地址

    除了long和double类型外,每个变量都只占局部变量区中的一个变量槽(slot),而long及double会占用两个连续的变量槽,因为这些类型是64位的。

    当一个新的变量创建的时候,操作数栈(operand stack)会用来存储这个新变量的值。然后这个变量会存储到局部变量区中对应的位置上。如果这个变量不是基础类型的话,本地变量槽上存的就只是一个引用。这个引用指向堆的里一个对象。

    比如:

    int i = 5;
    

    编译后就成了

    0: bipush      5
    2: istore_0
    
    bipush 用来将一个字节作为整型数字压入操作数栈中,在这里5就会被压入操作数栈上。
    istore_0 这是istore_这组指令集(译注:严格来说,这个应该叫做操作码,opcode ,指令是指操作码加上对应的操作数,oprand。不过操作码一般作为指令的助记符,这里统称为指令)中的一条,这组指令是将一个整型数字存储到本地变量中。n代表的是局部变量区中的位置,并且只能是0,1,2,3。再多的话只能用另一条指令istore了,这条指令会接受一个操作数,对应的是局部变量区中的位置信息。

    这条指令执行的时候,内存布局是这样的:

    class文件中的每一个方法都会包含一个局部变量表,如果这段代码在一个方法里面的话,你会在类文件的局部变量表中发现如下的一条记录。

    LocalVariableTable:
            Start  Length  Slot  Name   Signature
              0      1      1     i         I
    
    字段

    Java类里面的字段是作为类对象实例的一部分,存储在堆里面的(类变量对应存储在类对象里面)。关于字段的信息会添加到类文件里的field_info数组里,像下面这样:

    ClassFile {
        u4 magic;
        u2 minor_version;
        u2 major_version;
        u2 constant_pool_count;
        cp_info contant_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];
    }
    

    另外,如果变量被初始化了,那么初始化的字节码会加到构造方法里。

    下面这段代码编译了之后:

    public class SimpleClass {
    
        public int simpleField = 100;
    
    }
    

    如果你用javap进行反编译,这个被添加到了field_info数组里的字段会多出一段描述信息。

    public int simpleField;
        Signature: I
        flags: ACC_PUBLIC
    

    初始化变量的字节码会被加到构造方法里,像下面这样:

    public SimpleClass();
      Signature: ()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        100
           7: putfield      #2                  // Field simpleField:I
          10: return
    
    aload_0 从局部变量数组中加载一个对象引用到操作数栈的栈顶。尽管这段代码看起来没有构造方法,但是在编译器生成的默认的构造方法里,就会包含这段初始化的代码。第一个局部变量正好是this引用,于是aload_0把this引用压到操作数栈中。aload_0是aload_指令集中的一条,这组指令会将引用加载到操作数栈中。n对应的是局部变量数组中的位置,并且也只能是0,1,2,3?;褂欣嗨频募釉刂噶?,它们加载的并不是对象引用,比如iload_,lload_,fload_,和dload_, 这里i代表int,l代表long,f代表float,d代表double。局部变量的在数组中的位置大于3的,得通过iload,lload,fload,dload,和aload进行加载,这些指令都接受一个操作数,它代表的是要加载的局部变量的在数组中的位置。
    invokespecial 这条指令可以用来调用对象实例的构造方法,私有方法和父类中的方法。它是方法调用指令集中的一条,其它的还有invokedynamic, invokeinterface, invokespecial, invokestatic, invokevirtual.这里的invokespecial指令调用的是父类也就是java.lang.Object的构造方法。
    bipush 它是用来把一个字节作为整型压到操作数栈中的,在这里100会被压到操作数栈里。
    putfield 它接受一个操作数,这个操作数引用的是运行时常量池里的一个字段,在这里这个字段是simpleField。赋给这个字段的值,以及包含这个字段的对象引用,在执行这条指令的时候,都 会从操作数栈顶上pop出来。前面的aload_0指令已经把包含这个字段的对象压到操作数栈上了,而后面的bipush又把100压到栈里。最后putfield指令会将这两个值从栈顶弹出。执行完的结果就是这个对象的simpleField这个字段的值更新成了100。

    上述代码执行的时候内存里面是这样的:

    这里的putfield指令的操作数引用的是常量池里的第二个位置。JVM会为每个类型维护一个常量池,运行时的数据结构有点类似一个符号表,尽管它包含的信息更多。Java中的字节码操作需要对应的数据,但通常这些数据都太大了,存储在字节码里不适合,它们会被存储在常量池里面,而字节码包含一个常量池里的引用 。当类文件生成的时候,其中的一块就是常量池:

    Constant pool:
       #1 = Methodref          #4.#16         //  java/lang/Object."<init>":()V
       #2 = Fieldref           #3.#17         //  SimpleClass.simpleField:I
       #3 = Class              #13            //  SimpleClass
       #4 = Class              #19            //  java/lang/Object
       #5 = Utf8               simpleField
       #6 = Utf8               I
       #7 = Utf8               <init>
       #8 = Utf8               ()V
       #9 = Utf8               Code
      #10 = Utf8               LineNumberTable
      #11 = Utf8               LocalVariableTable
      #12 = Utf8               this
      #13 = Utf8               SimpleClass
      #14 = Utf8               SourceFile
      #15 = Utf8               SimpleClass.java
      #16 = NameAndType        #7:#8          //  "<init>":()V
      #17 = NameAndType        #5:#6          //  simpleField:I
      #18 = Utf8               LSimpleClass;
      #19 = Utf8               java/lang/Object
    
    常量字段(类常量)

    带有final标记的常量字段在class文件里会被标记成ACC_FINAL.

    比如

    public class SimpleClass {
    
        public final int simpleField = 100;
    
    }
    

    字段的描述信息会标记成ACC_FINAL:

    public static final int simpleField = 100;
        Signature: I
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
        ConstantValue: int 100
    

    对应的初始化代码并不变:

    4: aload_0
    5: bipush        100
    7: putfield      #2                  // Field simpleField:I
    
    静态变量

    带有static修饰符的静态变量则会被标记成ACC_STATIC:

    public static int simpleField;
        Signature: I
        flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    

    不过在实例的构造方法中却再也找不到对应的初始化代码了。因为static变量会在类的构造方法中进行初始化,并且它用的是putstatic指令而不是putfiled。

    static {};
      Signature: ()V
      flags: ACC_STATIC
      Code:
        stack=1, locals=0, args_size=0
           0: bipush         100
           2: putstatic      #2                  // Field simpleField:I
           5: return
    

    未完待续。

    本文最早发表于本人个人博客:Java译站

    原创文章,转载请注明: 转载自并发编程网 – www.gofansmi6.com本文链接地址: Java字节码浅析(—)


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    • 评论 (1)
      • zfox
      • 2014/09/16 5:38下午

      Constant Pool 上面画那么多箭头是神马意思,没看明白。

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