《深入拆解-Java-虚拟机》笔记(一):Java代码是怎么运行的

本片博客是学习极客时间专栏:郑雨迪 《深入拆解 Java 虚拟机》:第一节:Java代码是怎么运行的后的总结。

在了解java代码是怎么运行之前,首先要知道java代码有哪几种运行方式以及他们之间有什么不同点和相同点?

java代码的运行方式有很多中,比如:

  1. 开发工具中运行
  2. 双击执行jar文件运行
  3. 命令行运行
  4. 网页中运行

他们的不同点就是运行的方式不一样,共同点就是都离不开java运行时环境(Java Runtime Environment),也就是JRE。那么我们平时所说的jdk是什么呢? 实际上,JRE 仅包含运行 Java 程序的必需组件,包括 Java 虚拟机以及 Java 核心类库等,而Jdk是包含jre的同时,还附带了一系列开发诊断工具。

C++代码是不需要额外的运行时环境,我们直接编译成机器码就可以执行,既然 C++ 的运行方式如此成熟,那么为什么java还要在虚拟机中运行呢,这样的执行效率不会很低吗?

为什么需要java虚拟机

java属于一门高级程序语言,而电脑的底层硬件只能识别0101这样的机器码, 所以它是不能直接运行用硬件运行,需要一个中间翻译的角色,将代码转换为机器码,最终交给硬件执行,Java虚拟机就充当这样一个翻译的角色。

那么具体是怎么进行转换呢? 首先通过JVM将.java文件转换为 字节码文件,也就是 .class 文件。 (为什么称为字节码文件呢? 因为.class 文件中指令的操作码都被固定为1个字节。)

如下代码

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 最左列是偏移;中间列是给虚拟机读的机器码;最右列是给人读的代码
0x00: b2 00 02 getstatic java.lang.System.out
0x03: 12 03 ldc "Hello, World!"
0x05: b6 00 04 invokevirtual java.io.PrintStream.println
0x08: b1 return

java虚拟机是如何运行字节码文件的呢?

首先需要将编译成的字节码.class文件, 载到虚拟机中。加载后的java类会被存放于方法区(Method Area)中。实际运行时,虚拟机会执行方法区中的代码。

java虚拟机中会在内存中划分堆和栈来存储运行时数据,栈又被细分为 Java 方法栈,面向本地方法用 C++ 写的 native 方法的本地方法栈,以及存放各个线程执行位置的 PC 寄存器,(注意: java方法栈、本地方法栈、pc寄存器是线程私有的,也就是说每个线程都会创建)。

内存分配

在运行过程中,每当调用进入一个 Java 方法,JVM会在当前线程的java方法栈中创建一个栈帧,主要用来存放局部变量和字节码的操作数。 当退出当前方法时,JVM 会弹出该栈帧,并将其舍弃。。(一定要仔细认真的阅读理解这句话,在使用AdnroidStudio进行断点调试的时候很明显可以看到每个线程方法调用的栈帧。)

从硬件上来讲,虚拟机最终会将字节码文件转换为0101的机器码交给cpu来执行。 那么JVM是如何对字节码进行编译的呢?

编译的方式主要有两种:

  • 第一种是解释执行, 解释一行,执行一行(优点点: 无需等待编译)
  • 第二种是即时编译,也就是将一个方法编译完成之后再执行(实际执行速度更快)

HotSpot虚拟机采用的是混合模式来进行编译,对于占据大部分的不常用的代码,我们无需耗费时间将其编译成机器码,而是采用解释执行的方式。另一方面,对于仅占据小部分的热点代码,我们则可以采用即时编译将其编译成机器码,达到理想的运行速度。 在执行即时编译的过程中,JVM 内置了C1、C2和Graal三种即时编译器, C1面向的是客户端,C2面向的是Sever。

从Java 7开始,HotSpot默认采用分层编译的方式:热点方法首先被C1编译,而后热点方法中的热点会进一步被C2编译。HotSpot的即时编译是放在额外的线程中。字节码的解释执行和即时编译是可以同时进行的。

课后练习

全部命令截图如下

jike_jvm1

新建一个文件夹,命名为 hotspot, 然后编写 Foo.java文件, 注意不要带包名(下方命令都是基于此文件来执行的),如果文件带包名执行的时候,执行目录不正确会报错误:找不到或无法加载主类的错误,可以参考博客使用java命令运行class文件提示“错误:找不到或无法加载主类“的问题分析解决。

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public class Foo {
public static void main(String[] args) {
boolean flag = true;
if (flag) System.out.println("Hello, Java!");
if (flag == true) System.out.println("Hello, JVM!");
}
}

然后用cd命令进入hotspot目录中,依次执行下方命令运行Foo.java文件,此时会生成Foo.class文件

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javac Foo.java
java Foo

输出结果
Hello, Java!
Hello, JVM!

生成的.class 文件自己在AndroidStudio中打开可以看到内容如下:

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public class Foo {
public Foo() {
}

public static void main(String[] var0) {
boolean var1 = true;
if(var1) {
System.out.println("Hello, Java!");
}

if(var1) {
System.out.println("Hello, JVM!");
}

}
}

下载asmtools.jar.class文件进行反汇编

执行下方命令进行反汇编,

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java -cp /home/shaoyance/下载/asmtools.jar org.openjdk.asmtools.jdis.Main Foo.class>Foo.jasm.1
说明:

/home/shaoyance/下载/asmtools.jar //asmtools.jar 的下载路径
org.openjdk.asmtools.jdis.Main //固定写法

执行完上方命令后会生成文件 生成文件 Foo.jasm.1,内容如下:

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super public class Foo
version 51:0
{


public Method "<init>":"()V"
stack 1 locals 1
{
aload_0;
invokespecial Method java/lang/Object."<init>":"()V";
return;
}

public static Method main:"([Ljava/lang/String;)V"
stack 2 locals 2
{
iconst_1;
istore_1;
iload_1;
ifeq L14;
getstatic Field java/lang/System.out:"Ljava/io/PrintStream;";
ldc String "Hello, Java!";
invokevirtual Method java/io/PrintStream.println:"(Ljava/lang/String;)V";
L14: stack_frame_type append;
locals_map int;
iload_1;
iconst_1;
if_icmpne L27;
getstatic Field java/lang/System.out:"Ljava/io/PrintStream;";
ldc String "Hello, JVM!";
invokevirtual Method java/io/PrintStream.println:"(Ljava/lang/String;)V";
L27: stack_frame_type same;
return;
}

} // end Class Foo

执行下方命令 将 Foo.jasm.1 字节码中的iconst_1修改为了iconst_2,然后输出到文件 Foo.jasm

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awk 'NR==1,/iconst_1/{sub(/iconst_1/,"iconst_2")} 1' Foo.jasm.1>Foo.jasm

Foo.jasm中的内容如下:

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	super public class Foo
version 51:0
{


public Method "<init>":"()V"
stack 1 locals 1
{
aload_0;
invokespecial Method java/lang/Object."<init>":"()V";
return;
}

public static Method main:"([Ljava/lang/String;)V"
stack 2 locals 2
{
iconst_2; //修改前的值为 iconst_1;
istore_1;
iload_1;
ifeq L14;
getstatic Field java/lang/System.out:"Ljava/io/PrintStream;";
ldc String "Hello, Java!";
invokevirtual Method java/io/PrintStream.println:"(Ljava/lang/String;)V";
L14: stack_frame_type append;
locals_map int;
iload_1;
iconst_1;
if_icmpne L27;
getstatic Field java/lang/System.out:"Ljava/io/PrintStream;";
ldc String "Hello, JVM!";
invokevirtual Method java/io/PrintStream.println:"(Ljava/lang/String;)V";
L27: stack_frame_type same;
return;
}

} // end Class Foo

此时目录 hotspot中的文件有
Foo.class Foo.jasm Foo.jasm.1 Foo.java

然后执行下方命令将 Foo.jasm 汇编到 Foo.class 文件中

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java -cp /home/shaoyance/下载/asmtools.jar  org.openjdk.asmtools.jasm.Main Foo.jasm

此时再用AndroidStudio打开Foo.class 文件,内容如下:

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public class Foo {
public Foo() {
}

public static void main(String[] var0) {
byte var1 = 2;
if(var1 != 0) {
System.out.println("Hello, Java!");
}

if(var1 == 1) {
System.out.println("Hello, JVM!");
}

}
}

此时再次运行命令

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java Foo

输出结果

Hello, Java!

那么为什么将iconst_1修改为了iconst_2后只打印了 Hello, Java! 第二个判断语句中的打印为什么没有输出呢?具体的原理自己也不清楚,下边是极客时间中的一条评论:

jvm把boolean当做int来处理

flag = iconst_1 = true

awk把stackframe中的flag改为iconst_2

if(flag)比较时ifeq指令做是否为零判断,常数2仍为true,打印输出

if(true == flag)比较时if_cmpne做整数比较,iconst_1是否等于flag,比较失败,不再打印输出

参考博客:
读郑雨迪《深入拆解Java虚拟机》 – 第一讲 Java代码是怎么运行的

博客编号: 20