1、JVM基本概念

        1.1、入门案例

        在提到JVM的基本概念前，有必要说明下Java类的执行过程：

• 源代码阶段：当我们用记事本或编译器编写了一个类，但是没有去手动或自动编译的阶段。通常源代码文件以.java结尾。

  

  • 编译阶段：对于源代码阶段的文件，使用javac命令，或使用编译器运行，则会生成一个.class文件（字节码文件），包含了类转化成为的字节码指令。

    

            使用javac命令生成了.class文件，但是目前用记事本打开都是乱码：

    

    • 运行阶段：对于已经编译后的文件，使用java命令，或使用编译器运行，则会执行其中编写的逻辑。

              输出.java中的hello world：

      

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              Java虚拟机就是在使用java命令运行.class文件时，对.class文件中的字节码指令进行解释，翻译成让计算机系统能识别的语言。

              1.2、JVM

              相信通过了上面的入门案例，已经对java程序从编写到执行逻辑所经历的过程有了一定的认识，那么接下来简单的介绍一下什么是JVM：

              JVM的英文名称：Java Virtual Machine，简称JVM。是 Java 程序的运行环境，它是一个抽象的计算机，可以在其上运行 Java 字节码，具有以下的特性：

      • 字节码执行：JVM 可以执行 Java 编译器生成的字节码文件，这些字节码文件包含了与特定平台无关的指令集。
      • 内存管理：JVM 负责管理程序运行时所需的内存，包括堆内存、栈内存、方法区等。它通过垃圾回收器来管理堆内存中的对象生命周期。
      • 性能优化：JVM 包含了即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）和其他优化技术，可以提高 Java 程序的执行效率。
      • 跨平台特性：JVM 的设计使得 Java 程序具有跨平台性，相同的 Java 字节码可以在任何支持 JVM 的平台上运行。
      • 安全性：JVM 提供了安全管理和沙箱机制，可以防止恶意代码对系统造成破坏。        

                其中字节码执行这一点在上面的小案例中已经有所体现。关于内存管理，是Java语言相对于C，C++进行的优化，可以在适当的时机自动进行垃圾回收，而不需要手动的编写回收逻辑。即时编译技术，简单来说，就是将程序中的一些热点代码保存在内存中，而不需要在用到的时候再反复进行编译，学过Redis等缓存中间件的都知道，从内存中读取的效率较高，即时编译技术也是缓存思想的一种体现。而之所以java需要实时解释，是因为其具有跨平台特性，比如在windows上和linux上的机器码都是不一样的，需要实时进行适配（不知可否认为是适配器思想的体现）。

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                一些常见的JVM：

        

                1.3、JVM的组成

        • 类加载器（Class Loader）：负责将类文件加载到内存中，并生成对应的 Class 对象。类加载器通常按照特定的规则搜索类文件，并将其加载到 JVM 中。

        • 运行时数据区域：包括堆、栈、方法区、程序计数器和本地方法栈等不同的区域，用于存储程序运行时所需的数据和信息。

        • 执行引擎（Execution Engine）：负责执行字节码指令，包括解释器和即时编译器（JIT 编译器）。解释器逐条解释执行字节码指令，而即时编译器可以将热点代码编译成本地机器码以提高执行速度。

        • 本地方法接口（Native Interface）：允许 Java 程序调用本地方法和库，从而实现与底层系统交互的能力。（在java源码中经常会看到被native关键字修饰的方法。）

        • 安全管理器（Security Manager）：负责确保 Java 程序的安全性，限制程序对系统资源的访问。

        • 垃圾回收器（Garbage Collector）：负责管理堆内存中的对象，当对象不再被引用时，垃圾回收器会回收这些对象占用的内存空间。

        • 本地方法栈（Native Method Stack）：用于执行本地方法，即使用 C 或 C++ 等语言编写的方法。

        • 执行环境接口（Execution Environment Interface）：定义了 JVM 与宿主操作系统和硬件交互的接口。

                  1.4、字节码文件的解析

                  在入门案例中演示过，如果直接用windows系统自带的记事本去强行打开.class文件，会出现乱码，无法看到字节码指令。

                  如果使用安装了十六进制插件的nodepad++去打开，则会看到：

          

                  依旧是乱码，但是地址为00000000的十六进制的前四位有些特殊（后面会解释。）

                  为了能查看字节码指令，可以通过jclasslibd的软件进行实现，github地址如下：

          GitCode - 开发者的代码家园

                   安装完成后再去打开案例中的.class文件：

                  一般信息为字节码文件的基本信息的统计，其中主版本号-44即为当前jdk的版本号。

          

                  一般信息中，也包含一个模数，即是用安装了十六进制插件的nodepad++打开的.class文件中，地址为00000000的十六进制的前四位：cafebabe。 

                  这个信息是固定存在的，即只要是经过编译后的.class文件，打开后都会在相同的位置有cafebabe。这样设计的目的，是为了进行文件类型的区分。

                  例如我现在有一张图片，初始是.jpg格式，然后我将其改成了.avi格式，在通过邮件点击文件选择用图片方式打开，也是能打开的，内容也是和.jpg格式是相同的。即只根据文件的后缀无法判断文件类型。

                  软件会通过文件的前几个字节去校验文件类型（虽然文件的格式可以任意更改，但是文件头中的固定字节是无法修改的）：

          

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                  每个类被加载时都会创建一个常量池（Constant Pool），其中存储着该类中使用的常量信息，包括字面值常量、符号引用等。常量池在类加载时被创建，并且在编译阶段就已经确定其中的内容。

          • 存储字面值常量：常量池存储了类中出现的字面值常量，如字符串、基本数据类型的常量值等。

          • 存储符号引用：常量池还存储了对类、方法、接口等的符号引用，这些引用在运行时将被解析为实际的内存地址或方法入口。

          • 减少重复：常量池中的常量是唯一的，可以避免类文件中出现重复的常量定义，节省内存空间。

          • 动态连接：常量池中存储的符号引用在运行时会被动态解析，可以提高程序的灵活性和效率。

            

                    相关案例：

            public class ConstantPoolTest {
                public static final String a1 = "我爱北京天安门";
                public static final String a2 = "我爱北京天安门";
                public static void main(String[] args) {
                    ConstantPoolTest constantPoolTest = new ConstantPoolTest();
                }
            }
            

                    在字段标签中虽然有两份，但是常量池中指向的是同一个地址：

            

                    通过常量值索引找到常量池的位置：

            

                    再通过字符串字面量的索引找到对应的值：

            

                    那为什么不能直接通过索引找到字面量的值，还要先通过常量值索引找到常量池？

                    再看一个相关案例：

                    注意看第三个变量，变量名和值是相同的：

            public class ConstantPoolTest2 {
                public static final String a1 = "abc";
                public static final String a2 = "abc";
                public static final String abc = "abc";
                public static void main(String[] args) {
                    ConstantPoolTest2 constantPoolTest = new ConstantPoolTest2();
                }
            }
            

                     它们同时指向了常量池中的8索引：

            

                     又通过8索引找到10索引的字面量

            

                    还可以看到，a2的名字指向了常量池中的9索引，它的字面量很显然是变量名

            

                    而abc的名字指向了常量池中的10索引，它的字面量即可能是变量名，也可能是变量的值（在案例中变量名和变量值都是abc）：

            

                     为了进行区分，就要先去找到对应变量名在常量池中String类型的引用，然后根据引用去找到值。

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                    接口和字段则是该类实现的接口以及成员变量。

                    方法是本类中的所有方法（如果当前类继承了父类，需要显式的重写父类中的方法，否则即使继承了也不会展示父类中的方法），其中init是构造方法的意思（每个类中都有一个默认的无参构造），可以看到方法的字节码指令。

            

                    经典问题：

                    下面这段程序的运行结果是多少？

            public class Demo1 {
                public static void main(String[] args) {
                    int i=0;
                    i = i++;
                    System.out.println(i);
                }
            }
            

                    我们以字节码指令的层面去解答这个问题：

            iconst_0

            istore_1

            iload_1

            iinc 1 by 1

            istore_1

            getstatic #2

            iload_1

            invokevirtual #3

            return

                    方法又是包含了操作数栈和局部变量表两部分：

            • 操作数栈用于临时存放数据。
            • 局部变量表用于存放方法中的局部变量。
              1. 在执行到"iconst_0"时，会将0放入操作数栈中。
              2. 在执行"istore_1"时，会将0从操作数栈中转移到局部变量表的1索引位置。
              3. 在执行"iload_1"时，会将0从局部变量表中复制一份到操作数栈中。
              4. 此时操作数栈和局部变量表中都存在0这个值
              5. 在执行"iinc 1 by 1"时，会在局部变量表执行0+1的操作，此时局部变量表中1索引的值是1。
              6. 在执行"istore_1"时，又会将0从操作数栈中转移到局部变量表的1索引位置。（覆盖了局部变量表中上一步得到的1！）

                      结论：上面的代码运行结果是0。

                      通过分析字节码指令，也可以得出一些常用的字节码指令的含义：

              • iconst：将值推送到操作数栈中
              • istore：将值从操作数栈中转移到局部变量表对应的索引上
              • iload：将局部变量表中对应索引的值复制到操作数栈中

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                        属性表明了类的属性，包括源码的文件名，有无内部类等信息

                

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                        1.5、字节码解析工具

                        常见的字节码解析工具，除了上面提到过的jclasslib外，还有阿里的arthas工具，由于在Spring底层入门中讲解过安装和使用，在本节中展示一个查看线上程序反编译结果的案例。

                       在linux服务器上，提前准备好了两个jar包，分别是某个项目的jar包和arthas工具的jar包：

                

                        部署项目：

                

                        启动arthas工具，并连接上当前java项目的进程：

                

                        假设我们需要看com.itheima.springbootclassfile.controller下UserController类的反编译结果，只需要使用jad命令即可

                jad com.itheima.springbootclassfile.controller.UserController

                

                        这个案例在企业级项目开发中的意义：排查生产环境的代码是否和本地一致。