JVM字节码文件解析

笔记参考尚硅谷宋红康：

JVM全套教程：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ

1.概述

1.字节码文件的跨平台性

1. Java语言：跨平台的语言

当Java源代码成功编译成字节码后，如果想在不同的平台上面运行，则无须再次编译
这个优势不再那么吸引人了。Python、PHP、Ruby、Lisp等有强大的解释器。
跨平台似乎已经快成为一门语言必选的特性。

2. Java虚拟机:跨语言的平台

Java虚拟机不和包括Java在内的任何语言绑定，它只与”Class文件”这种特定的二进制文件格式所关联。无论使用何种语言进行软件开发，只要能将源文件编译为正确的Class文件，那么这种语言就可以在Java虚拟机上执行。可以说，统一而强大的Class文件结构，就是Java虚拟机的基石、桥梁。

官方文档：

Java SE Specifications (oracle.com)

所有的JVM全部遵守Java虚拟机规范，也就是说所有的JVM环境都是一样的，这样一来字节码文件可以在各种JVM上运行。

3.想要让一个Java程序正确地运行在JVM中， Java源码就必须要被编译为符合JVM规范的字节码。

前端编译器的主要任务就是负责将符合Java语法规范的Java代码转换为符合JVM规范的字节码文件。
javac是一种能够将Java源码编译为字节码的前端编译器。
Javac编译器在将Java源码编译为一个有效的字节码文件过程中经历了4个步骤，分别是词法解析、语法解析、语义解析、及生成字节码。

Oracle的JDK软件包括两部分内容:

一部分是将Java源代码编译成Java虚拟机的指令集的编译器。
另一部分是用于实现Java虚拟机的运行时环境。

2.Java的前端编译器

Java源代码的编译结果是字节码，那么肯定需要有一种编译器能够将Java源码编译为字节码，承担这个重要责任的就是配置在path环境变量中的javac编译器。javac是一种能够将Java源码编译为字节码的前端编译器。

也就是平常我们使用的javac

HotSpot VM并没有强制要求前端编译器只能使用javac来编译字节码，其实只要编译结果符合JVM规范都可以被JVM所识别即可。

在Java的前端编译器领域，除了javac之外，还有一种被大家经常用到的前端编译器，那就是内置在Eclipse中的ECJ (Eclipse Compiler for Java)编译器。和Javac的全量式编译不同， ECJ是一种增量式编译器。

在Eclipse中，当开发人员编写完代码后，使用”Ctrl+S”快捷键时， ECJ编译器所采取的编译方案是把未编译部分的源码逐行进行编译，而非每次都全量编译。因此ECJ的编译效率会比javac更加迅速和高效，当然编译质量和javac相比大致还是一样的
ECJ不仅是Eclipse的默认内置前端编译器，在Tomcat中同样也是使用ECJ编译器来编译jsp文件。由于ECJ编译器是采用GPLv2的开源协议进行源代码公开，所以，大家可以登录eclipse官网下载ECJ编译器的源码进行二次开发。
默认情况下，IntelliJ IDEA使用javac编译器。(还可以自己设置为AspectJ编译器ajc)
前端编译器并不会直接涉及编译优化等方面的技术，而是将这些具体优化细节移交给HotSpot的JIT编译器负责。

3.透过字节码指令看代码细节

1. 问题

① 类文件结构有几个部分？

② 知道字节码吗？字节码都有哪些？ Integer x = 5;int y = 5;比较 x == y 都经过哪些步骤？

2.代码举例

package com.atguigu.java;

public class IntegerTest {
        public static void main(String[] args) {

            Integer x = 5;
            int y = 5;
            System.out.println(x == y);

            Integer i1 = 10;
            Integer i2 = 10;
            System.out.println(i1 == i2);//true

            Integer i3 = 128;
            Integer i4 = 128;
            System.out.println(i3 == i4);//false

    }
}

为什么会出现两个是true，一个是false?

看看字节码：

iconst_5把常量5放入操作数栈

接着调用了Integer.valueOf

IntegerCache是Interger的一个内部类，其中保存了一个静态数组

数组长度为-128到127之间。

也就是说只要在-128到127之间，就返回原值，否则就new一个Interger

所以会出现两个是true，一个是false。

然后，就是放入局部变量表1的位置。

0的位置放这个

4.int y = 5

基本数据类型直接放

放入局部变量表2的位置。

按理说应该输出一个false，但是存在自动拆箱，就输出true

System.out.println(x == y);

为了减少开发人员的工作，Java提供了自动拆箱与自动装箱功能。

自动装箱: 就是将基本数据类型自动转换成对应的包装类。

自动拆箱：就是将包装类自动转换成对应的基本数据类型。

例如：

Interger i = 10可以替代Interger i = new Interger(10);

这就是因为Java帮我们提供了自动装箱的功能，不需要开发者手动去new一个Integer对象;

package com.atguigu.java;

public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String("hello") + new String("world");
        String str1 = "helloworld";
        System.out.println(str == str1);
        String str2 = new String("helloworld");
        System.out.println(str == str2);
    }
}

问题主要在这两个append

package com.atguigu.java;

class Father {
    int x = 10;

    public Father() {
        this.print();
        x = 20;
    }
    public void print() {
        System.out.println("Father.x = " + x);
    }
}

class Son extends Father {
    int x = 30;
    // float x = 30.1F;
    public Son() {
        this.print();
        x = 40;
    }
    public void print() {
        System.out.println("Son.x = " + x);
    }
}

public class SonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Father f = new Son();
        System.out.println(f.x);
    }
}

所以结果是什么？

成员变量（非静态的）的赋值过程：
① 默认初始化

② 显式初始化 /代码块中初始化

③ 构造器中初始化

④ 有了对象之后，可以“对象.属性”或”对象.方法”的方式对成员变量进行赋值。

所以：当main方法改为new Father();

public class SonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Father f = new Father();
        System.out.println(f.x);
    }
}

看看字节码：很明显。

再换回

public class SonTest {
    public static void main(String[] args) {
        Father f = new Son();
        System.out.println(f.x);
    }
}

看看字节码：

先进行初始化，子类会调用父类的构造函数。

而在父类中，调用了print()方法，但是子类重写了print()方法，所以，使用子类的print()方法，而此时，在子类还未初始化。所以输出0.

再因为属性不存在多态性，所以f.x输出的是父类的20；

2.虚拟机的基石：Class文件

Class文件字节码文件里是什么？

源代码经过编译器编译之后便会生成一个字节码文件（存在几个内部类，就多生成几个字节码文件）,字节码是一种二进制的类文件，它的内容是JVM的指令，而不像C、C++经由编译器直接生成机器码。

什么是字节码指令(byte code)？

Java虚拟机的指令由一个字节长度的、代表着某种特定操作含义的操作码(opcode)以及跟随其后的零至多个代表此操作所需参数的操作数(operand)所构成。虚拟机中许多指令并不包含操作数，只有一个操作码，比如：

3.使用javap指令解析Class文件

1.解析字节码的作用

通过反编译生成的字节码文件,我们可以深入的了解java代码的工作机制。但是，自己分析类文件结构太麻烦了，除了使用第三方的jclasslib工具之外，oracle官方也提供了工具：javap。

javap是jdk自带的反解析工具。它的作用就是根据class字节码文件，反解析出当前类对应的code区(字节码指令)、局部变量表、异常表和代码行偏移量映射表、常量池等信息。

通过局部变量表，我们可以查看局部变量的作用域范围、所在槽位等信息，甚至可以看到槽位复用等信息。

2. javac -g操作

解析字节码文件得到的信息中，有些信息(如局部变量表、指令和代码行偏移量映射表、常量池中方法的参数名称等等)需要在使用javac编译成class文件时，指定参数才能输出。

比如,你直接javac xx.java，就不会在生成对应的局部变量表等信息，如果你使用javac -g xx.java就可以生成所有相关信息了。如果你使用的eclipse或IDEA，则默认情况下， eclipse、IDEA在编译时会帮你生成局部变量表、指令和代码行偏移量映射表等信息的。

3.javap的用法

javap的用法格式：javap <options> <classes>其中，classes就是你要反编译的class文件。在命令行中直接输入javap或javap -help可以看到javap的options有如下选项:

这里重组一下：

-help --help -?        //输出此用法消息
-version               //版本信息,其实是当前javap所在jdk的版本信息,不是class在哪个jdk下生成的。
-public                //仅显示公共类和成员
-protected             //显示受保护的/公共类和成员
-p -private            //显示所有类和成员
-package               //显示程序包/受保护的/公共类 和成员（默认）
-sysinfo               //显示正在处理的类的系统信息(路径，大小，日期，MD5 散列,源文件名)
-constants             //显示静态最终常量
-s                     //输出内部类型签名
-l                     //输出行号和本地变量表
-c                     //对代码进行反汇编
-v -verbose            //输出附加信息（包括行号、本地变量表，反汇编等详细信息）
-classpath <path>      //指定查找用户类文件的位置
-cp <path>             //指定查找用户类文件的位置
-bootclasspath <path>  //覆盖引导类文件的位置

使用此代码演示:

package com.yutian.java1;

public class JavapTest {
    private int num;
    boolean flag;
    protected char gender;
    public String info;

    public static final int COUNTS = 1;
    static{
        String url = "崩坏3天下第一";
    }
    {
        info = "java";
    }
    public JavapTest(){

    }
    private JavapTest(boolean flag){
        this.flag = flag;
    }
    private void methodPrivate(){

    }
    int getNum(int i){
        return num + i;
    }
    protected char showGender(){
        return gender;
    }
    public void showInfo(){
        int i = 10;
        System.out.println(info + i);
    }
}

-help –help -? //输出此用法消息

-version //版本信息,其实是当前javap所在jdk的版本信息,不是class在哪个jdk下生成的。

-public //仅显示公共类和成员