Java源代码是如何编译,加载到内存中的?

1.前言

相信许多开发同学看过《深入理解java虚拟机》,也阅读过java虚拟机规范,书籍和文档给人的感觉不够直观,本文从一个简单的例子来看看jvm是如何工作的吧。

本文所有操作均在mac上进行。

2.示例代码

示例代码采用最常见的双重检索单例模式:

package interview.desginpattern.singletion.doublecheck;

import java.io.Serializable;

public class Singleton implements Serializable {
    private static volatile Singleton instance = null;

    private Singleton() {
    }

    public static Singleton getInstance() {
        if (instance == null) {
            synchronized (Singleton.class) {
                if (instance == null) {
                    instance = new Singleton();
                }
            }
        }

        return instance;
    }
}

3.指令

经过编译后,我们得到class文件,然后用javap命令查看相关指令

javap -c Singleton:

public class interview.desginpattern.singletion.doublecheck.Singleton implements java.io.Serializable {
  public static interview.desginpattern.singletion.doublecheck.Singleton getInstance();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // get static instance
       3: ifnonnull     37                  // instance is null,jump 37
       6: ldc           #3                  // push class Singleton to operand stack
       8: dup                               // Duplicate the top (class Singleton) operand stack value
       9: astore_0                          // Store reference(class Singleton) into local variable
      10: monitorenter                      // synchronized start
      11: getstatic     #2                  
      14: ifnonnull     27                  // instance is null,jump 27
      17: new           #3                  // new class interview/desginpattern/singletion/doublecheck/Singleton
      20: dup                               
      21: invokespecial #4                  // Method "<init>":()V
      24: putstatic     #2                  
      27: aload_0                           // Load reference (class Singleton) from local variable
      28: monitorexit                       // synchronized end
      29: goto          37
      32: astore_1
      33: aload_0
      34: monitorexit                       // synchronized end (exception)
      35: aload_1
      36: athrow                            // throw exception
      37: getstatic     #2                  
      40: areturn
    Exception table:
       from    to  target type
          11    29    32   any
          32    35    32   any

  static {};                                // static code
    Code:
       0: aconst_null                       // Push the null object reference onto the operand stack
       1: putstatic     #2                  // set static instance
       4: return
}

有以下几点需要说明:

  • operand stack 即操作数栈,区别于jvm虚拟机栈,是属于栈帧(frame)中的数据结构
  • local variable 即本地变量,也属于栈帧中的结构
  • synchronized 被解析成monitorenter 和 monitorexit两条指令,并且需要处理异常情形

我们知道一般来讲jvm 运行时数据包括,pc寄存器,stack(虚拟机栈),heap,method area, 运行时常量池,本地方法栈。stack 中的每一帧包括,operand stack, local variable , 和指向常量池的指针。

4.class文件

上一节中只是展示了java代码编译成class文件,包含了哪些指令,但是class文件包含的信息远远不止这些。

我们在IDEA 中使用插件 jclasslib bytecode viewer 查看 class文件具体包含哪些信息:

4.1.一般信息

这里省略了class 文件的魔法数标志,0xCAFEBABE

4.2.接口和字段

4.3.方法

  • <init> 方法对应Singletion的构造方法
  • <clinit> 方法对应Singletion.class的构造方法

我们还可以查看getInstatnce编译后的指令 (chapter 3):

4.4.常量池

上述数据结构(4.1, 4.2, 4.3)不会存字符串字面量,而是指向常量池的引用:

4.5.属性

5.加载

加载即根据class文件创建对象/接口.

有两种加载器,分别是bootstrap class loader,和user-defined class cloader,我们可以自定义加载器,比如从网络,或者从加密的class文件中加载对象。

任何一个class/inteface 被限定名 + 类加载器唯一确定,所以jvm实现者在并发的情况下需要确保此唯一性约束。

一般而言,加载流程如下

  1. 看该文件有没有被对应的加载器进行加载
  2. 验证该文件是不是class文件,major or minor version 是否被支持
  3. 检查父类是否被加载
  4. 检查接口是否被加载

6.链接(验证,准备,解析)

验证:确保class文件结构是否正确,是否打破jvm规范

准备:给class或者interface的静态属性设置默认值(区别于显式赋值)

解析:给 symbolic references 赋予确定的值(除了 invokedynamic,其他都可以唯一确定

7.初始化

初始化:调用class或者interface的<init>, <cinit> 方法 (4.3)

8.总结

本文概述了java代码是如何加载到jvm中的,jvm有各种不同的实现(我们最熟悉的hotspot虚拟机),其中细节可能不尽相同。加载到jvm中并不代表程序生命周期的结束,运行时的情况也值得关注。

9.参考

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/jvms8.pdf

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