Java JVM & ByteCode

概述

JVM => Java Virtual Machine
JLS => Java Language Specification => Java 语音规范 => 定义 Java 语言的语法
JVMS => Java Virtual Machine Specification => Java 虚拟机规范 => 定义字节码如何在 JVM 中执行

JLS 与 JVMS 没有任何关系

JVM 基本结构

Heap

• 所有的对象都在堆上分配
• 只能操纵对象的引用或者地址
• 只能控制对象的诞生，但是无法控制它的死亡

方法栈

• 线程私有
• 每当一个方法调用发生，方法栈就入栈一个栈帧
• 每当方法退出（放回或异常），栈帧就被弹出 => 栈帧是对方法每一次调用的一个表示，每一次调用会产生一个新的栈帧
• 局部变量在栈帧中分配
• 当栈深度过大时抛出 StackOverflow

栈帧

1. 局部变量表 => Local Variable Table
2. 操作数栈 => Operand Stack

SourceCode vs ByteCode

每当方法调用开始的时候，Local Variable Table 会被初始化成当前方法的参数

Method Area

• 被整个虚拟机所共享的 Class 信息等 => new Cat() 的时候，Cat 的类型信息来源于 Method Area => readonly
• 运行时常量池 => String.intern => 常量池存放值，但是每个值都有一个地址，使得每次调用 intern 方法时返回的都是值的地址，多次调用对象是不变的，那个值 & 地址都是不变的

  String s1 = new String("ABCDE");
  String s2 = new String("ABCDE");
  String s3 = s1.intern();
  String s4 = s2.intern();
  
  System.out.println(s1 == s2); // false
  System.out.println(s3 == s4); // true
  

String intern

• Java 7 之前：永久代(PermGen) => OutOfMemory: perm gen => 永久代和堆放在一起，会和堆抢占内存，OutOfMemory 经常会发生
• Java 8 之后：元空间(Metaspace) => 元空间和 Native 共享内存

Bytecode

Bytecode == IR => Intermediate Representation
JVM 实现跨平台基石 => ByteCode

• 一种基于栈的、与平台无关的计算模型 => 基于栈：所有的计算都是基于栈帧里面的 Operand Stack 执行的
• 可以由多种方式生成 => JVM 上的编程语言 & 直接生成字节码

查看 & 阅读

• javap => javap -v -private x.class => Java 自带的反编译工具，可以用来查看字节码信息
• classpy
• 反编译器 => IDEA ASM Bytecode Viewer Plugin

加载 & 执行

1. Class Loader => 将 class 文件加载成虚拟机内部的 Class 类的表示
2. Bytecode Verifier => 验证字节码的合法性
3. Java Runtime System
4. Native OS

类加载器 Class Loader

Class Loader 打通了代码和数据间的障碍

• 动态加载代码
• 动态生成代码
• 动态替换代码

使用场景

• Mock
• AOP
• 热部署 | 热替换

双亲委派加载模型

Java 8 及之前，Java 9 引入了模块系统
当任何一个类加载器尝试去加载一个类时都会委托给它的父亲，如果它的父亲可以加载的话，就直接返回，否则就自己尝试去加载，并且成为要加载那个类的类加载器

TODO：ClassLoad 文档

1. Application ClassLoader => CLASSPATH => 负责加载 classpath 里面的包 => 启动参数中的 -cp(classpath)
2. Extension ClassLoader => jre/lib/ext/*.jar => 负责加载 JVM 中程序运行所需要的类
3. Bootstrap ClassLoader => jre/lib/*.jar rt.jar(runtime) jce.jar 等 => 负责加载 JVM 启动时的相关类

ClassLoader loadClass

• 安全性
• 正确性 => 类加载器也被 instanceof 所检查 => instanceof 不仅检查类名，还检查类加载器 => cat instanceof Cat => 检查类加载器 cat.getClass().classLoader 和 Cat.class.classLoader 是否一致

JIT Compiler

JIT => Just In Time
AOT => Ahead Of Time

两种执行方式

1. JIT => 解释执行 => 方便、跨平台 + 慢
2. AOT => 编译执行 => 麻烦、不灵活、编译后的代码非常臃肿 + 快

antlr

显示语法树
GitHub

Quick Start

OS X
cd /usr/local/lib
sudo curl -O https://www.antlr.org/download/antlr-4.9.2-complete.jar
export CLASSPATH=".:/usr/local/lib/antlr-4.9.2-complete.jar:$CLASSPATH"
alias antlr4='java -jar /usr/local/lib/antlr-4.9.2-complete.jar'
alias grun='java org.antlr.v4.gui.TestRig'
# alias grun='java -cp .:antlr-4.9.2-complete.jar org.antlr.v4.gui.TestRig'

知识点

1. factorial => 阶乘
2. 在 Java 世界中所有的参数传递都是拷贝，都发生了一个拷贝的过程

• 基本数据类型 => 拷贝值
• 引用数据类型 => 拷贝地址

3. IDEA Plugin => ASM Bytecode Viewer => 将当前代码编译成字节码查看
4. List of Java bytecode instructions
5. 对象的地址在栈中何种形式存储？

• 32 位操作系统 => 对象的地址在栈中32位 => 4byte
• 64 位操作系统 => 对象的地址在栈中64位 => 8byte

6. native 关键字 => 该方法没有 Java 代码，是 Java 虚拟机实现的
7. String 的 equals => 比较两个 String 是否是同一个对象 | 循环比较每个字符
   String equals
8. Java Magic Number => CAFEBABE
9. 字节码版本号约定 => Java 虚拟机只能加载低于或等于该版本的字节码 => 加载高于 Java 虚拟机版本的字节码将会报错 => java.lang.UnsupportedClassVersionError: xxx: Unsupported major.minor version
10. Java 模式
    • mixed mode => 混合模式
    • interpreter mode => 解释器模式
    • compiled mode => 编译模式

疑问

1. 常量池只与 String 有关吗？