1. 类文件结构

根据jvm规范，类文件结构如下：

ClassFile{
    u4             magic;
    u2             minor_version;
    u2             major_version;
    u2             constant_pool_count;
    cp_info        constant_pool[constant_pool_count - 1];
    u2             access_flags;  //访问修饰
    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;  //类附加的属性信息
    attribute_info attributes[attributes_count];
}

1.1 魔数

0~3 字节，表示它是否是 class 类型的文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.2 版本

4~7字节，表示类的版本 (major version)00 34 （52），表示java8

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.3 常量池

8~9字节，表示常量池长度，00 23（35）表示常量池有 #1~#34 项，注意 #0 项不计入，也没有值

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

第#1项 0a 表示一个Method信息，00 06 和 00 15(21) 表示它引用了常量池中 #6 和 #21 项来获得这个方法的 【所属类】 和 【方法名】

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 230a 00 06 00 15 09

第#2项 09 表示一个Field信息，00 16 (22) 和 00 17（23）表示它引用了常量池中的 #22 #23项来获得这个成员变量的【所属类】和 【成员变量名】

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

0000020 00 16 00 17 08 00 18 0a 00 19 00 1a 07 00 1b 07

......

2. 字节码指令

构造方法的字节码指令

2a b7 00 01 b1

2a -> aload_0

• 加载 slot0的局部变量，即this,作为下面的invokespecial 构造方法调用的参数

b7->invokespecial

• 预备调用构造方法，哪个方法呢？
  00 01 表示引用常量池中的第#1项，即【Method java/lang/Object."<init>":()V】

b1->return

• 表示返回

主方法main的字节码指令

b2 00 02 12 03 b6 00 04 b1

b2->getstatic

• 用来加载静态变量，哪个静态变量呢？
  00 02 引用常量池中的第#2项，即【Field java/lang/System:out:Ljava/io/PrintStream;】

12->ldc

• 加载参数
  03 引用常量池中的第#3项，即【String hello world】

b6 ->invokevirtual

• 预备调用成员方法，哪个方法呢？
  00 04 引用常量池的第#4项，即【Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V】

b1->return

• 表示返回

2.1 javap 工具

javap -v HelloWorld.class

Classfile /C:/D/code/juc/target/classes/com/lily/jvm/HelloWorld.class
  Last modified 2021-9-13; size 559 bytes
  MD5 checksum edfc1b40953449a97c3a448c0d9f6620
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class com.lily.jvm.HelloWorld
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#20         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #21.#22        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #23            // Hello World
   #4 = Methodref          #24.#25        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #26            // com/lily/jvm/HelloWorld
   #6 = Class              #27            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               LocalVariableTable
  #12 = Utf8               this
  #13 = Utf8               Lcom/lily/jvm/HelloWorld;
  #14 = Utf8               main
  #15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #16 = Utf8               args
  #17 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #18 = Utf8               SourceFile
  #19 = Utf8               HelloWorld.java
  #20 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #21 = Class              #28            // java/lang/System
  #22 = NameAndType        #29:#30        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #23 = Utf8               Hello World
  #24 = Class              #31            // java/io/PrintStream
  #25 = NameAndType        #32:#33        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #26 = Utf8               com/lily/jvm/HelloWorld
  #27 = Utf8               java/lang/Object
  #28 = Utf8               java/lang/System
  #29 = Utf8               out
  #30 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #31 = Utf8               java/io/PrintStream
  #32 = Utf8               println
  #33 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public com.lily.jvm.HelloWorld();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/lily/jvm/HelloWorld;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello World
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 6: 8
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       9     0  args   [Ljava/lang/String;
}
SourceFile: "HelloWorld.java"

2.2 方法执行流程

2.2.1 原始Java 代码

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        int a = 10;
        //short 范围内的数字跟字节码指令存储在一起，大于的数字存储在常量池
        int b = Short.MAX_VALUE + 1;
        int c = a + b;
        System.out.println(c);
    }
}

2.2.2 编译后的字节码文件

public class com.lily.jvm.Test
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #7.#25         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Class              #26            // java/lang/Short
   #3 = Integer            32768
   #4 = Fieldref           #27.#28        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #5 = Methodref          #29.#30        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #6 = Class              #31            // com/lily/jvm/Test
   #7 = Class              #32            // java/lang/Object
   #8 = Utf8               <init>
   #9 = Utf8               ()V
  #10 = Utf8               Code
  #11 = Utf8               LineNumberTable
  #12 = Utf8               LocalVariableTable
  #13 = Utf8               this
  #14 = Utf8               Lcom/lily/jvm/Test;
  #15 = Utf8               main
  #16 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #17 = Utf8               args
  #18 = Utf8               [Ljava/lang/String;
  #19 = Utf8               a
  #20 = Utf8               I
  #21 = Utf8               b
  #22 = Utf8               c
  #23 = Utf8               SourceFile
  #24 = Utf8               Test.java
  #25 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V
  #26 = Utf8               java/lang/Short
  #27 = Class              #33            // java/lang/System
  #28 = NameAndType        #34:#35        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #29 = Class              #36            // java/io/PrintStream
  #30 = NameAndType        #37:#38        // println:(I)V
  #31 = Utf8               com/lily/jvm/Test
  #32 = Utf8               java/lang/Object
  #33 = Utf8               java/lang/System
  #34 = Utf8               out
  #35 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #36 = Utf8               java/io/PrintStream
  #37 = Utf8               println
  #38 = Utf8               (I)V
{
  public com.lily.jvm.Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/lily/jvm/Test;

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=4, args_size=1
         0: bipush        10
         2: istore_1
         3: ldc           #3                  // int 32768
         5: istore_2
         6: iload_1
         7: iload_2
         8: iadd
         9: istore_3
        10: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        13: iload_3
        14: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        17: return
      LineNumberTable:
        line 6: 0
        line 7: 3
        line 8: 6
        line 9: 10
        line 10: 17
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      18     0  args   [Ljava/lang/String;
            3      15     1     a   I
            6      12     2     b   I
           10       8     3     c   I
}

2.2.3 执行流程

1.常量池载入运行时常量池
2.方法字节码载入方法区
3.main 线程开始运行，分配栈帧内存，操作数栈和本地变量表（stack = 2, locals = 4）
4.执行引擎开始执行字节码
bipush 10

• 将一个byte压入操作数栈，其长度会补齐四个字节
  类似指令有：
  sipush 将一个short压入操作数栈，其长度会补齐四个字节
  ldc 将一个Int 压入操作数栈
  ldc2_w将一个long 压入操作数栈，分两次压入 ,long是8个字节
  小的数字都和字节码指令在一起，超过short范围的数字存入常量池

istore_1

• 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表 slot_1

ldc // int 32768

• 从常量池加载数据，到操作数栈
• 注意：Short.MAX_VALUE = 32767， 这里的32768在编译期计算好了

istore_2

• 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表 slot_2

iload_1

• 将局部变量表slot_1中的数据，读取到操作数栈上

iload_2

• 将局部变量表slot_2中的数据，读取到操作数栈上

iadd

• 执行 add 操作并把结果放到操作数栈顶

istore_3

• 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表 slot_3

getstatic // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

• 通过常量池先找到堆中的System.out 对象
• getstatic 把System.out 对象的引用值放入操作数栈

iload_3

• 将局部变量表slot_3中的数据，读取到操作数栈上

invokevirtual // Method java/io/PrintStream.println:(I)V

• 在常量池中定位方法 java/io/PrintStream.println:(I)V
• 生成新的栈帧
• 传递参数，执行新栈帧中的字节码
• 执行完毕，弹出栈帧
• 清除main 操作数栈内容

return

• 完成main 方法调用，弹出main 栈帧
• 程序结束

2.3 构造方法

2.3.1 <cinit>()V

public class Test {

    static int i = 10;

    static {
        i = 20;
    }

    static {
        i = 30;
    }
}

编译器会按照从上至下的顺序，收集所有static 静态代码块和静态成员变量的代码，合并成一个特殊的方法<cinit>()V

 static {};
    descriptor: ()V
    flags: ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: bipush        10
         2: putstatic     #2                  // Field i:I
         5: bipush        20
         7: putstatic     #2                  // Field i:I
        10: bipush        30
        12: putstatic     #2                  // Field i:I
        15: return
      LineNumberTable:
        line 5: 0
        line 8: 5
        line 12: 10
        line 13: 15

<cinit>()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用。

2.3.2 <init>()V

编译器会按照从上到下的顺序，收集所有 {} 代码块 和 成员变量赋值的代码块，形成新的构造方法，原始构造方法内的代码总是在最后

2.4 方法调用

public class Test {

    private void test01() {}

    private final void test02() {}

    public void test03() {}

    public static void test04() {}

    public static void main(String[] args) {
        Test test = new Test();
        test.test01();
        test.test02();
        test.test03();
        test.test04();
        Test.test04();
    }
}

{
  public com.lily.jvm.Test();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/lily/jvm/Test;

  public void test03();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=0, locals=1, args_size=1
         0: return
      LineNumberTable:
        line 9: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       1     0  this   Lcom/lily/jvm/Test;

  public static void test04();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=0, locals=0, args_size=0
         0: return
      LineNumberTable:
        line 11: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    Code:
      stack=2, locals=2, args_size=1
         0: new           #2                  // class com/lily/jvm/Test 
         3: dup
         4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
         7: astore_1
         8: aload_1
         9: invokespecial #4                  // Method test01:()V
        12: aload_1
        13: invokespecial #5                  // Method test02:()V
        16: aload_1
        17: invokevirtual #6                  // Method test03:()V
        20: aload_1
        21: pop
        22: invokestatic  #7                  // Method test04:()V
        25: invokestatic  #7                  // Method test04:()V
        28: return
}

invokespecial 和 invokestatic 属于静态绑定。在字节码指令生成的时候就知道要调用哪个方法

invokevirtual 属于动态绑定。public 方法在编译期间不能确定调用哪个方法，可能有方法重写。在运行期间确定方法的入口地址。

一个对象的初始化

0: new           #2                  // class com/lily/jvm/Test  
3: dup
4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
7: astore_1

new

• 使用new关键字在堆中分配内存， 分配成功后将该对象的引用放入操作数栈

dup

• 将栈顶的地址在复制一份。此时操作数栈中有两个对象引用

invokespecial

• 根据栈顶的对象引用地址调用相应的构造方法，调用完毕后，栈顶只有一个对象引用了

astore_1

• 将操作数栈中剩余的对象引用存入本地变量表 slot_1

2.5 多态的原理

当执行 invokevirtual指令时

1.先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, 它在类加载的连接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了

4.查表得到方法的具体地址

5.执行方法的字节码

3. 语法糖-编译期处理

所谓语法糖，其实就是指java编译器把 *.java 源码编译为 *.class 字节码过程中，自动生成和转化的一些代码，主要是为了减轻程序员负担，算是Java编译器给我们的一个额外福利（糖）

注意，以下代码的分析，借助了javap工具，idea的反编译功能，idea 插件 jclasslib 工具等。编译器转换的结果直接就是 *.class文件。以下给出伪代码

3.1 默认构造器

public class Candy1{
    
}

编译成 .class后的代码

public class Candy1{
    //这个默认构造器是编译器自动帮我们加上的
    public Candy1() {
        //调用父类Object 的无参构造方法 java/lang/Object."<init>":()V
        super();
    }
}

3.2 自动拆装箱

这个特性是jdk 5开始加入的

public class Candy2{
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = 1;
        int y = x;
    }
}

这段代码在jdk 5之前是无法编译的，必须改为如下代码

public class Candy2{
    public static void main(String[] args) {
        Integer x = Integer.valueOf(1);
        int y = x.intValue();
    }
}

这些基本类型和包装类型的转换在jdk 5之后，由编译器在编译阶段完成

3.3 泛型集合取值

泛型也是在jdk 5开始加入的特性，但java在编译泛型代码后，会执行 泛型擦除的动作。即泛型信息在编译为字节码之后就丢失了。实际的类型都当做了 Object 类型来做处理

public class Candy3{
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = new ArrayList<>();
        //实际调用的是 list.add(Object o)
        list.add(10);
        //实际调用的是 Object obj = List.get(index);
        Integer x = list.get(0);
    }
}

所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作

//需要将 Object 转换为Integer
Integer x = (Integer)list.get(0);

擦除的是字节码的泛型信息，可以看到LocalVariableTypeTable仍然保留方法的参数的泛型信息

使用反射仍然能获得泛型信息

3.4 可变参数

可变参数也是jdk 5开始加入的新特性

public class Candy4{
    public static void foo(String...args){
        String[] array = args;
        System.out.Println(array);
    }
    
    
    public static void main(String[] args) {
        foo("hello","world");
    }
}

可变参数 String... args 其实是一个String[] args.

Java编译器会在编译期间将上述代码变为：

public class Candy4{
    public static void foo(String...args){
        String[] array = args;
        System.out.Println(array);
    }
    
    
    public static void main(String[] args) {
        foo(new String[]{"hello","world"});
    }
}

注意，如果调用了 foo()， 不会把 null 传进去，而是传入一个空的数组 foo(new String[]{});

3.5 foreach 循环

jdk 5开始加入的新特性

public class Candy5_1{
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = {1,2,3,4,5}; //数组赋初值的简化写法也会语法糖
        for(int e : array){
            System.out.Println(e);
        }
    }
}

会被编译器转换为：

public class Candy5_1{
    
    public Candy5_1(){}
    
    public static void main(String[] args) {
        int[] array = new int[]{1,2,3,4,5}; //数组赋初值的简化写法也会语法糖
        for(int i = 0; i < array.length; ++i){
            int e = array[i];
            System.out.Println(e);
        }
    }
}

而集合的循环

public class Candy5_2{
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
        for(Integer e : list){
            System.out.Println(e);
        }
    }
}

实际被编译器转换为：

public class Candy5_2{
    
    public Candy5_2(){}
    
    public static void main(String[] args) {
        List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5);
        Iterator iter = list.interarot();
        while(iter.hasNext()){
            Integer e = (Integer)iter.next();
            System.out.Println(e);
        }
    }
}

3.6 switch 字符串

jdk 7开始 switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖。

public class Candy6_1{
    public static void choose(String str) {
        switch (str) {
            case "hello" : {
                System.out.Println("h");
                break;
            }
            
            case "world" : {
                System.out.Println("w");
                break;
            }
        }
    }
}

switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为null,

会被编译器转换为：

public class Candy6_1{
    public Candy6_1() {
        
    }
    public static void choose(String str) {
        byte x = -1;
        switch (str.hashCode()) {
            case 99162322:
                if (str.equals("hello")) {
                    x = 0;
                }
            
            case 113318802:
                if (str.equals("world")){
                    x = 1;
                }
        }
        
        switch (x) {
            case 0 : 
                 System.out.Println("h");
                 break;
            case 1 :
                 System.out.Println("w");
                 break;
        }
    }
}

可以看到执行了两遍 switch , 为什么用两遍？

hashCode 是为了提高效率，减少可能的比较。而equals 是为了防止hash 冲突。

3.7 switch 枚举

enum Sex{
    MALE, FEMALE
}

public class Candy7{
    public static void foo(Sex sex) {
        switch (sex) {
            case MALE :
                System.out.Println("男");
                break;
            
            case FEMALE : 
                System.out.Println("女");
                break;
        }
    }
}

编译器转换后代码

public class Candy7{
    
    //定义一个合成类，仅jvm可见
    //用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系
    //枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始
    //即 MALE 的 ordinal()=0, FEMALE 的 ordinal()=1
    static class $MAP{
        //数组大小即为枚举元素个数，这里存储 case 用来比对的数字
        static int[] map = new int[2];
        static{
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 1;
        }
    }
    
    public static void foo(Sex sex) {
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1 :
                System.out.Println("男");
                break;
            
            case 2 : 
                System.out.Println("女");
                break;
        }
    }
}

3.8 枚举类

jdk 7新增了枚举类

enum Sex{
    MALE, FEMALE
}

转换后代码：

//枚举类不能被继承
public final class Sex extends Enum<Sex>{
    
    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE;
    public static final Sex[] $VALUES;
    
    static{
        MALE = new Sex("MALE", 0);
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    }
    
    private Sex(String name, int ordinal) {
        super(name, ordinal);
    }
    
    public static Sex[] values() {
        return $VALUES.clone();
    }
    
    public static Sex valueOf(String name) {
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);
    }
}

3.9 try-with-resource

jdk 7 新增了对需要关闭的资源处理

try(资源变量 = 创建资源对象) {
    
} catch() {
    
}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如 FileInputStream、FileOutputStream、Connection等接口都实现了 AutoCloseable .

使用 try-with-resource 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮忙生成资源关闭代码

public class Candy9{
    public static void main(String[] args) {
        try (InputStream is = new FileInputStream("c:\\ll.txt")) {
            System.out.Println(is);
        } catch(IOException e) {
            
        }
    }
}

编译器转换为：

public class Candy9{
    
    public Candy9() {
        
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("c:\\ll.txt");
            Throwable t = null;
            
            try {
                System.out.Println(is);
            } catch (Throwable e1) {
                
                //t 是代码出现异常
                t = e1;
                throw e1;
            } finally {
                //判断了资源不为空
                if (is != null) {
                    //如果代码有异常
                    if (t != null) {
                        try{
                            is.close();
                        } catch (Throwable e2) {
                            //如果close出现异常，作为被压制异常添加
                            //如此设计防止异常信息丢失
                            t.addSuppressed(e2);
                        }
                    } else {
                        //代码没有异常
                        is.close();
                    }
                }
            }
           
            
        } catch(IOException e) {
            
        }
    }
}

3.10 方法重写时的桥接方法

方法重写时对返回值分两种情况

• 父子类的返回值完全一致
• 子类的返回值可以是父类返回值的子类。

class A {
    public Number m() {
        return 1;
    }
}

class B extends A{
    //子类的返回值是 Integer 是父类的返回值 Number的子类
    @Override
     public Integer m() {
        return 2;
     }
    
}

对于子类编译器转换为

class B extends A{
    
    public Integer m() {
        return 2;
     }
    
     //此方法才是真正重写了父类的 m 方法
     public synthetic bridge Number m() {
        return m();
     }
    
}

其中桥接方法比较特殊，仅jvm可见，并且与原来的 public Integer m()没有命名冲突

3.11 匿名内部类

public class Candy11{
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Runnable(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.Println("ok" + x);
            }
        }
    }
}

转换后代码

//额外生成类
public class Candy11$1 implements Runnable{
    int val$x;
    
    public Candy11$1(int x) {
        this.val$x = x;
    }
            
    public void run() {
        System.out.Println("ok" + this.val$x);
    }

}

public class Candy11{
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Candy11$1(x);
    }
}

为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final？

因为在创建Candy11$1对象时，将x值赋值给 Candy11$1 对象的 val$x 属性，所以 x 不应该再发生变化。如果变化了，那么val$x的值没有机会跟着一起变化

4. 类加载阶段

4.1 加载

将类的字节码载入方法区中，内部采用 c++ 的数据结构 instanceKlass 描述类，它的重要 field 有：

• _java_mirror 即java 类镜像，例如 String.class，作用是把Klass暴露给Java使用
• _super 父类
• _fields 成员变量
• _methods 方法
• _constants 常量池
• _class_loader 类加载器
• _vtable 虚方法表
• _itable 接口方法表

如果这个类还有父类没有加载，先加载父类

加载和链接可能是交替运行的
类的加载是懒惰的

注意：instanceKlass 这样的元数据是存储的方法区（元空间），_java_mirror存储在堆中。

类加载.png

4.2 链接

1.验证：类是否复合 jvm 规范，进行安全性检查

2.准备：为static 变量分配内存空间，设置默认值

• static 变量在 jdk 7之前存储在 instanceKlass 末层，从jdk 7 开始存储于 _java_mirror 末尾（堆中类对象）。
• static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成。
• 如果 static 变量是 final 的基本类型(包括String类型)，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成。
• 如果 static 变量不是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成。

3.解析：将常量池中的符号引用解析为直接引用

public class ClassParseTest {

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        ClassLoader classLoader = ClassParseTest.class.getClassLoader();
        //loadClass() 方法不会导致类的解析和初始化
        classLoader.loadClass("com.lily.jvm.C");
    }
}

class C {
    D d = new D();
}

class D {

}

4.3 初始化

初始化其实就是执行类的构造方法

4.3.1 <cinit>()V方法

初始化即调用<cinit>()V方法， 虚拟机会保证这个类的构造方法线程安全

4.3.2 发生的时机

类初始化是懒惰的

类初始化的时机

• main方法所在的类，总是会被首先初始化
• 首次访问这个类的静态变量或静态方法时会引发类的初始化
• 子类初始化，如果父类还没有初始化，会引发
• 子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
• Class.forName 默认情况会触发类的初始化
• new 会导致初始化

不会导致初始化的情况

• 访问类的 final static 静态常量（基本类型和字符串），不会触发初始化。在类的链接阶段完成
• 类对象 .class 不会触发初始化（类加载时生成_java_mirror对象）
• 创建该类的数组时，不会触发初始化
• 调用类加载器的 loadClass() 方法，不会触发类的初始化
• Class.forName() 第二个参数为false时，不会触发类的初始化

5. 类加载器

以jdk 8为例

public class F {

    static {
        System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

public class Load1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("com.lily.jvm.F");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出

bootstrap F init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

5.1 双亲委派模式

双亲委派模式指，调用类加载器的 loadClass方法时，查找类的规则。

注意：这里的双亲并没继承关系

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        //1.检查本类加载器 是否已经加载该类
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    //2.有上级委派上级loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    //3.没有上级了(ExtClassLoader)，则委派Bootstrap ClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
                
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                
            }
            
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                //4.每一层找不到，调用findClass方法（每个类加载器自己扩展），来加载
                c = findClass(name);
                
                //5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

5.2 自定义类加载器

什么时候需要自定义类加载器？

想加载非 classpath ,随意路径下的类文件

都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计

这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见tomcat

步骤

1.继承ClassLoader父类

2.遵从双亲委派机制，重写findClass() 方法

3.读取类文件的字节码

4.调用父类的 defineClass 方法来加载类

5.使用者调用该类加载器的 loadClass方法

6. 运行期优化

6.1 即时编译

6.1.1 分层编译

public class JITTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 200; i++) {
            long start = System.nanoTime();
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                new Object();
            }
            long end = System.nanoTime();
            System.out.println(end - start);
        }
    }
}

运行结果发现刚开始占用时间很多，后面突然时间变短了

原因是什么呢？

JVM将字节码执行分为 5 个层次：

• 0层，解释执行 Interpreter
• 1层，使用C1即时编译器编译执行（不带profiling）
• 2层，使用C1即时编译器编译执行（带基本的profiling）
• 3层，使用C1即时编译器编译执行（带完全的profiling）
• 4层，使用C2即时编译器编译执行

profiling 是指在运行过程中，收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的回边次数】等

即时编译器JIT 和 解释器 的区别

• 解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
• JIT 是将一些反复执行的字节码编译为机器码，存入 code cache, 下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
• 解释器是将字节码解释为针对所有平台通用的机器码
• JIT会根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于占据大部分的不常用代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行。
另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。
执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2
JIT总的目标是发现热点代码，并优化。

6.1.2 方法内联

public class JITTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(square(9));
    }

    private static int square(final int i) {
        return i * i;
    }
}

如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联。
内联：就是把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置。

System.out.println(9 * 9);
//还可以进行常量折叠优化
System.out.println(81);