深入理解“HelloWorld”小程序

时间：2022-12-23 13:47:43

对于每个Java程序员来说，HelloWorld是一个再熟悉不过的程序。它很简单，但是这段简单的代码能指引我们去深入理解一些复杂的概念。这篇文章，我将探索我们能从这段简单的代码中学到什么。如果你对HelloWorld有独到的理解，请留下你的评论。

HelloWorld.java

public class HelloWorld {

    /**

     * @param args

     */

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("Hello World");

    }

}

为什么所有东西都是从类开始的

Java程序是基于类构建的，每一个方法，字段必须存在于类里面。这是因为Java是面向对象的：一切都是对象，即一个类的实例。相对于函数式编程，面向对象编程有很多优势，如更加模块化，可扩展性更好等。

为什么总是需要有一个“main”方法

main方法是静态方法，程序的入口；静态方法意味着这个方法是属于类，而不是对象。

那为什么是这样呢？为什么不使用非静态方法作为程序的入口呢？

如果这个方法是非静态的，那么在使用这个方法之前需要先创建对象，因为非静态方法需要由对象来调用。作为一个程序的入口，这样的设计是不现实的。在没有鸡的情况下，我们不能获取鸡蛋。因此，程序入口被设置为静态方法。

另外，main方法的入参"String[] args"表明一个字符串数组可以传入该方法用于执行程序的初始化工作。

HelloWorld的字节码

为了运行这个程序，Java文件首先被编译成字节码存入一个.class文件。那么这个字节码文件是怎样的呢？字节码本身是不易读的，我们使用十六进制编辑器打开它，结果如下：

深入理解“HelloWorld”小程序

从上面的字节码，我们看到了很多操作码（如CA, 4C,），它们中的每一个都对应着一个助记码（如下面例子中的aload_0），操作码是不易读的，但是我们可以使用javap去查看.class文件的助记符形式。

"javap -c"可以打印类中每个方法的反汇编代码，反汇编代码即一些指令，这些指定组成了java的字节码。

javap -classpath . -c HelloWorld

public class HelloWorld extends java.lang.Object{

public HelloWorld();

  Code:

    0: aload_0

    1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V

    4: return

public static void main(java.lang.String[]);

  Code:

    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

}

以上代码包含了两个方法，一个是构造方法，由编译器自动插入；另一个是main方法。

在每个方法的下面，都有一系列的指令，如aload_0，invokespecial #1等。每个指定对应的含义可以查看Java字节码指令列表。举个例子，aload_0加载栈中局部变量的引用，getstatic获取类中的静态字段值。注意getstatic后面的"#2"，其指向运行时常量池，常量池是Java运行时数据区域。因此，使用"javap -verbose"命令，可以帮助我们查看常量池。

另外，每条指令的前面都有一个数字，如0,1,4等。在字节码文件中，每一个方法都有对应的字节码数组。这些数字对应的正是数组的索引，这些数组存放了操作码和对应参数。每个操作码长度为一个字节，可以有0或多个参数，这就是为什么这些数字不是连续的。

现在，我们可以使用"javap -verbose"命令深入看下这个类：

javap -classpath . -verbose HelloWorld

public class HelloWorld extends java.lang.Object

SourceFile: "HelloWorld.java"

minor version: 0

major version: 50

Constant pool:

const #1 = Method #6.#15; // java/lang/Object."<init>":()V

const #2 = Field #16.#17; // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;

const #3 = String #18; // Hello World

const #4 = Method #19.#20; //

java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V

const #5 = class #21; // HelloWorld

const #6 = class #22; // java/lang/Object

const #7 = Asciz <init>;

const #8 = Asciz ()V;

const #9 = Asciz Code;

const #10 = Asciz LineNumberTable;

const #11 = Asciz main;

const #12 = Asciz ([Ljava/lang/String;)V;

const #13 = Asciz SourceFile;

const #14 = Asciz HelloWorld.java;

const #15 = NameAndType #7:#8;// "<init>":()V

const #16 = class #23; // java/lang/System

const #17 = NameAndType #24:#25;// out:Ljava/io/PrintStream;

const #18 = Asciz Hello World;

const #19 = class #26; // java/io/PrintStream

const #20 = NameAndType #27:#28;// println:(Ljava/lang/String;)V

const #21 = Asciz HelloWorld;

const #22 = Asciz java/lang/Object;

const #23 = Asciz java/lang/System;

const #24 = Asciz out;

const #25 = Asciz Ljava/io/PrintStream;;

const #26 = Asciz java/io/PrintStream;

const #27 = Asciz println;

const #28 = Asciz (Ljava/lang/String;)V;

{

public HelloWorld();

Code:

Stack=1, Locals=1, Args_size=1

0: aload_0

1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V

4: return

LineNumberTable:

line 2: 0

public static void main(java.lang.String[]);

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 9: 0

line 10: 8

}

JVM规范中是这样描述的：

运行时常量池是为方法服务的，类似于常规程序设计语言中的符号表，但是常量池包含的数据比典型的符号表范围较广。

"invokespecial #1"指令中的"#1"指向常量池中的#1常量，即"Method #6.#15;"，根据这些数字，我们可以递归的得到最终常量。行号表可以方便调试人员知道Java源代码中的哪些行对应字节码中的哪些指令。如，Java源代码中的第9行对应main方法中的code 0，第10行对应code 8。

如果你想要知道更多关于字节码的内容，可以尝试创建一个更加复杂的类，并编译查看。相对而言，HelloWorld太简单了。

HelloWorld在JVM中是如何运行的

现在的问题是JVM如何装载Java类以及如何调用main方法？

在main方法执行之前，JVM需要完成以下步骤，

  • 装载：装载类或接口的字节码到JVM中
  • 链接：将Java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中的进程，包含3个步骤（验证：确保类或接口结构正确、准备：涉及内存分配相关、解析：解决符号引用）
  • 初始化：为类的变量初始化合适的值；

深入理解“HelloWorld”小程序

加载步骤是由Java类加载器完成的，在JVM启动的时候，使用了三个类加载器：

  • 引导类加载器：加载/jre/lib下的Java核心类库，这些类是Java的核心，使用本地代码编写。
  • 扩展类加载器：加载扩展目录下的代码（如/jar/lib/ext目录）
  • 系统类加载器：加载CLASSPATH下的代码

所以HelloWorld是由系统类加载器加载的，当main方法执行之前，会触发加载，链接，初始化其它依赖类操作。

最终，main方法帧 被push到JVM栈中，程序计数器开始做相应操作，将println方法帧push到JVM栈中，当main方法执行完毕，栈中对应的数据被弹出，然后执行完毕。

译文链接：http://www.programcreek.com/2013/04/what-can-you-learn-from-a-java-helloworld-program/

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