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如何理解Java虚拟机?了解 1+2的过程即可

2020-04-16 14:59:16 来源 : Tomcat那些事儿

在面试的时候,在问到关于JVM相关的问题,会发现不少的面试者都是机械的在记忆,稍一细问就戛然而止。属于死记硬背型的,估计是看书里记个大概的概念或者图,并没有理解含义。

实际上这块内容,看概念的时候能对照一个简单的程序分析,可以更好的理解。下面咱们开始。

市面上常见的JVM书籍里,关于JVM的体系结构,一般划分成以下几个部分:

类加载器

程序计数器(Program Counter Register,简称PC Register)

Java 虚拟机栈(Java Virtual Machine Stacks)

堆(Heap)

方法区(Method Area)

运行时常量池(Run-time Constant Pool)

本地方法栈(Native Method Stack)

栈帧(Stack Frame)

执行引擎(Execution Engine)

其中2~7项,又称为运行时数据区,毕竟这些东西只有JVM 跑起来才会创建。这个分类,基本都是参照 Java 虚拟机规范。

如果干巴巴的记概念没啥意思,吃个饭可能就忘了。接下来用 1+2这个程序来试着理解它。

我们来看个初学Java 编程的时候都基本都写过的,类似 Hello World的程序。

publicclassHelloWorld{

publicstaticvoidmain(String[]args){

inta=1;

intb=2;

intc=a+b;

}

}

先 javac 编译之后,再用javap -verbose HelloWorld 来观察一下, 你会看到类似下面的输出内容:

publicclassHelloWorld

minorversion:0

majorversion:55

flags:(0x0021)ACC_PUBLIC,ACC_SUPER

this_class:#2//HelloWorld

super_class:#3//java/lang/Object

interfaces:0,fields:0,methods:2,attributes:1

Constantpool:

#1=Methodref#3.#12//java/lang/Object."":()V

#2=Class#13//HelloWorld

#3=Class#14//java/lang/Object

#4=Utf8

#5=Utf8()V

#6=Utf8Code

#7=Utf8LineNumberTable

#8=Utf8main

#9=Utf8([Ljava/lang/String;)V

#10=Utf8SourceFile

#11=Utf8HelloWorld.java

#12=NameAndType#4:#5//"":()V

#13=Utf8HelloWorld

#14=Utf8java/lang/Object

{

publicHelloWorld();

descriptor:()V

flags:(0x0001)ACC_PUBLIC

Code:

stack=1,locals=1,args_size=1

0:aload_0

1:invokespecial#1//Methodjava/lang/Object."":()V

4:return

LineNumberTable:

line1:0

publicstaticvoidmain(java.lang.String[]);

descriptor:([Ljava/lang/String;)V

flags:(0x0009)ACC_PUBLIC,ACC_STATIC

Code:

stack=2,locals=4,args_size=1

0:iconst_1

1:istore_1

2:iconst_2

3:istore_2

4:iload_1

5:iload_2

6:iadd

7:istore_3

8:return

LineNumberTable:

line3:0

line4:2

line5:4

line6:8

}

好嘞。咱们都知道,上面这些就是Java的字节码。有了上面这个输出的内容,你把自己想像成虚拟机,来运行它,就理解了 Java 虚拟机里各个部分了。

首先,这部分内容,要执行,一定得先读到内存里,负载读这些内容的,就是虚拟机的类加载器。

加载进来的其实是个二进制流,然后呢,需要把它整理成对应格式的内容才方便使用嘛。比如这个类叫啥名字,继承了谁,都有什么方法,方法名字叫啥,内容是什么这些东西要找个地方放着。放哪好呢?方法区就是干这个的。

所谓的运行时常量池也是方法区里的一块区域。往上看Constant Pool 在运行时会被解析成 Run-time Constant Pool。如果涉及到对其他类的引用等等,会在加载之后再链接的时候,把这里面的符号引用转化成直接引用。

另外一些部分呢?概括来讲就是Java虚拟机栈,就是咱们常说的栈,是用来执行方法里的具体内容的。这一部分其实可以这样理解。Java 虚拟机,和我们真实的物理机类似,都会把程序提供的指令执行,只不过虚拟机是一个提供了一套有限指令集的软件。物理机基本都是基于寄存器执行,而 Java 虚拟机的对于指令的执行实现是基于栈的。

既然是栈,那栈里要放点什么?没错,是栈帧,英文是 Frames,就是咱们在使用 IDE debug 的时候看到的那一层一层的内容。

每个方法调用的时候,都会出现一帧,每一帧也是个结构,方法执行用到的东西都在里面。比如在 Debug 的时候,一般都会看到每个变量和值, 这些变量称为本地变量(local variables),在上面的输出内容里也有stack=2, locals=4, args_size=1 我们看到locals就是本地变量,args_size是方法参数的长度,还有一个就是操作数(stack),数值是栈的最大深度。

每个class 的任意一个方法里,都会有 frame ,它们都有自己的 local variables 本地变量表, 自己的operand stack 操作数栈,以及到run-time constant pool 运行时常量池的引用。当然,也可以有一些扩展信息,例如debug info。

那具体上面简单的一个 1+2 这个操作,对应到 jvm 指令有这些:

0:iconst_1

1:istore_1

2:iconst_2

3:istore_2

4:iload_1

5:iload_2

6:iadd

7:istore_3

8:return

具体当前执行到第几条指令,需要有个标识,这个活儿让程序计数器给干了。这小子一直指向下一条即将执行的指令。基本栈的实现,上面的指令大意是把常量1赋值给第一个变量,常量2赋值给第二个变量,之后,变量一入栈,变量二入栈,执行iadd操作的时候,这两个数据出栈,完成求和,再赋值给变量3,入栈,再返回。下次咱们细说JVM指令的时候,再详细说说。这些指令的执行,当然离不开执行引擎。

因为不需要执行Native方法,所以我们一般不用本地方法栈,这是给类似JNI这些本地方法实现准备的。

你看,观察了1+2的过程,基本Java 虚拟机的结构是不是就理解了?:-) 如果还是记不住的话,你可以这样想啊,Java 的世界里,经常会说到堆和栈。那栈用来存啥呢?想想你 debug 时候看到的那一层层的帧, 然后再想想今天的1+2的执行,应该就齐了

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