java拾遗4----一个简单java程序的运行全过程

简单说来，一个java程序的运行需要编辑源码、编译生成class文件、加载class文件、解释或编译运行class中的字节码指令。

下面有一段简单的java源码，通过它来看一下java程序的运行流程：

 class Person

 {

        private String name;

        private int age;

        public Person(int age, String name){

               this.age = age;

               this.name = name;

        }

        public void run(){

        }

 }

 interface IStudyable

 {

        public int study(int a, int b);

 }

 public class Student extends Person implements IStudyable

 {

        private static int cnt=5;

        static{

               cnt++;

        }

        private String sid;

        public Student(int age, String name, String sid){

               super(age,name);

               this.sid = sid;

        }

        public void run(){

               System.out.println("run()...");

        }

        public int study(int a, int b){

               int c = 10;

               int d = 20;

               return a+b*c-d;

        }

        public static int getCnt(){

               return cnt;

        }

        public static void main(String[] args){

               Student s = new Student(23,"dqrcsc","20150723");

               s.study(5,6);

               Student.getCnt();

               s.run();

        }

 }

1.编辑源码：无论是使用记事本还是别的什么，编写上面的代码，然后保存到Student.java，我直接就放到桌面了

2.编译生成class字节码文件：

在桌面上，按住shift，然后按下鼠标右键：

点击“在此处打开命令窗口”

输入命令javac Student.java将该源码文件编译生成.class字节码文件。

由于在源码文件中定义了两个类，一个接口，所以生成了3个.clsss文件：

这样能在java虚拟机上运行的字节码文件就生成了

3.启动java虚拟机运行字节码文件：

在命令行中输入java Student这个命令，就启动了一个java虚拟机，然后加载Student.class字节码文件到内存，然后运行内存中的字节码指令了。

我们从编译到运行java程序，只输入了两个命令，甚至，如果使用集成开发环境，如eclipse，只要ctrl+s保存就完成了增量编译，只需要按下一个按钮就运行了java程序。但是，在这些简单操作的背后还有一些操作……

1.从源码到字节码：

字节码文件，看似很微不足道的东西，却真正实现了java语言的跨平台。各种不同平台的虚拟机都统一使用这种相同的程序存储格式。更进一步说，jvm运行的是class字节码文件，只要是这种格式的文件就行，所以，实际上jvm并不像我之前想象地那样与java语言紧紧地捆绑在一起。如果非常熟悉字节码的格式要求，可以使用二进制编辑器自己写一个符合要求的字节码文件，然后交给jvm去运行；或者把其他语言编写的源码编译成字节码文件，交给jvm去运行，只要是合法的字节码文件，jvm都会正确地跑起来。所以，它还实现了跨语言……

通过jClassLib可以直接查看一个.class文件中的内容，也可以给JDK中的javap命令指定参数，来查看.class文件的相关信息：

javap –v Student

好多输出，在命令行窗口查看不是太方便，可以输出重定向下：

javap –v Student > Student.class.txt

桌面上多出了一个Student.class.txt文件，里面存放着便于阅读的Student.class文件中相关的信息

部分class文件内容，从上面图中，可以看到这些信息来自于Student.class，编译自Student.java，编译器的主版本号是52，也就是jdk1.8，这个类是public，然后是存放类中常量的常量池，各个方法的字节码等，这里就不一一记录了。

总之，我想说的就是字节码文件很简单很强大，它存放了这个类的各种信息：字段、方法、父类、实现的接口等各种信息。

2.Java虚拟机的基本结构及其内存分区：

Java虚拟机要运行字节码指令，就要先加载字节码文件，谁来加载，怎么加载，加载到哪里……谁来运行，怎么运行，同样也要考虑……

上面是一个JVM的基本结构及内存分区的图，有点抽象，有点丑……简单说明下：

JVM中把内存分为直接内存、方法区、Java栈、Java堆、本地方法栈、PC寄存器等。

直接内存：就是原始的内存区

方法区：用于存放类、接口的元数据信息，加载进来的字节码数据都存储在方法区

Java栈：执行引擎运行字节码时的运行时内存区，采用栈帧的形式保存每个方法的调用运行数据

本地方法栈：执行引擎调用本地方法时的运行时内存区

Java堆：运行时数据区，各种对象一般都存储在堆上

PC寄存器：功能如同CPU中的PC寄存器，指示要执行的字节码指令。

JVM的功能模块主要包括类加载器、执行引擎和垃圾回收系统。

3.类加载器加载Student.class到内存：

1）类加载器会在指定的classpath中找到Student.class这个文件，然后读取字节流中的数据，将其存储在方法区中。

2）会根据Student.class的信息建立一个Class对象，这个对象比较特殊，一般也存放在方法区中，用于作为运行时访问Student类的各种数据的接口。

3）必要的验证工作，格式、语义等

4）为Student中的静态字段分配内存空间，也是在方法区中，并进行零初始化，即数字类型初始化为0，boolean初始化为false，引用类型初始化为null等。

在Student.java中只有一个静态字段：

private static int cnt=5;

此时，并不会执行赋值为5的操作，而是将其初始化为0。

5）由于已经加载到内存了，所以原来字节码文件中存放的部分方法、字段等的符号引用可以解析为其在内存中的直接引用了，而不一定非要等到真正运行时才进行解析。

6）在编译阶段，编译器收集所有的静态字段的赋值语句及静态代码块，并按语句出现的顺序拼接出一个类初始化方法<clinit>()。此时，执行引擎会调用这个方法对静态字段进行代码中编写的初始化操作。

在Student.java中关于静态字段的赋值及静态代码块有两处：

 private static int cnt=5;

 static{

           cnt++;

 }

将按出现顺序拼接，形式如下：

 void <clinit>(){

               cnt = 5;

               cnt++;

 }

可以通过jClassLib这个工具看到生成的<clinit>()方法的字节码指令：

iconst_5指令把常数5入栈

putstatic #6将栈顶的5赋值给Student.cnt这个静态字段

getstatic #6 获取Student.cnt这个静态字段的值，并将其放入栈顶

iconst_1 把常数1入栈

iadd 取出栈顶的两个整数，相加，结果入栈

putstatic #6 取出栈顶的整数，赋值给Student.cnt

return 从当前方法中返回，没有任何返回值。

从字节码来看，确实先后执行了cnt =5 及 cnt++这两行代码。

在这里有一点要注意的是，这里笼统的描述了下类的加载及初始化过程，但是，实际中，有可能只进行了类加载，而没有进行初始化工作，原因就是在程序中并没有访问到该类的字段及方法等。

此外，实际加载过程也会相对来说比较复杂，一个类加载之前要加载它的父类及其实现的接口：加载的过程可以通过java –XX:+TraceClassLoading参数查看：

如：java -XX:+TraceClassLoading Student，信息太多，可以重定向下：

查看输出的loadClass.txt文件：

可以看到最先加载的是Object.class这个类，当然了，所有类的父类。

直到第390行才看到自己定义的部分被加载，先是Student实现的接口IStudyable，然后是其父类Person，然后才是Student自身，然后是一个启动类的加载，然后就是找到main()方法，执行了。

4.执行引擎找到main()这个入口方法，执行其中的字节码指令：

要了解方法的运行，需要先稍微了解下java栈：

JVM中通过java栈，保存方法调用运行的相关信息，每当调用一个方法，会根据该方法的在字节码中的信息为该方法创建栈帧，不同的方法，其栈帧的大小有所不同。栈帧中的内存空间还可以分为3块，分别存放不同的数据：

局部变量表：存放该方法调用者所传入的参数，及在该方法的方法体中创建的局部变量。

操作数栈：用于存放操作数及计算的中间结果等。

其他栈帧信息：如返回地址、当前方法的引用等。

只有当前正在运行的方法的栈帧位于栈顶，当前方法返回，则当前方法对应的栈帧出栈，当前方法的调用者的栈帧变为栈顶；当前方法的方法体中若是调用了其他方法，则为被调用的方法创建栈帧，并将其压入栈顶。

注意：局部变量表及操作数栈的最大深度在编译期间就已经确定了，存储在该方法字节码的Code属性中。

简单查看Student.main()的运行过程：

简单看下main()方法：

 public static void main(String[] args){

               Student s = new Student(23,"dqrcsc","20150723");

               s.study(5,6);

               Student.getCnt();

               s.run();

 }

对应的字节码，两者对照着看起来更易于理解些：

注意main()方法的这几个信息：

Mximum stack depth指定当前方法即main()方法对应栈帧中的操作数栈的最大深度，当前值为5

Maximum local variables指定main()方法中局部变量表的大小，当前为2，及有两个slot用于存放方法的参数及局部变量。

Code length指定main()方法中代码的长度。

开始模拟main()中一条条字节码指令的运行：

创建栈帧：

局部变量表长度为2，slot0存放参数args，slot1存放局部变量Student s，操作数栈最大深度为5。

new #7指令：在java堆中创建一个Student对象，并将其引用值放入栈顶。

dup指令：复制栈顶的值，然后将复制的结果入栈。

bipush 23：将单字节常量值23入栈。

ldc #8：将#8这个常量池中的常量即”dqrcsc”取出，并入栈。

ldc #9：将#9这个常量池中的常量即”20150723”取出，并入栈。

invokespecial #10：调用#10这个常量所代表的方法，即Student.<init>()这个方法

<init>()方法，是编译器将调用父类的<init>()的语句、构造代码块、实例字段赋值语句，以及自己编写的构造方法中的语句整合在一起生成的一个方法。保证调用父类的<init>()方法在最开头，自己编写的构造方法语句在最后，而构造代码块及实例字段赋值语句按出现的顺序按序整合到<init>()方法中。

注意到Student.<init>()方法的最大操作数栈深度为3，局部变量表大小为4。

此时需注意：从dup到ldc #9这四条指令向栈中添加了4个数据，而Student.<init>()方法刚好也需要4个参数：

 public Student(int age, String name, String sid){

               super(age,name);

               this.sid = sid;

 }

虽然定义中只显式地定义了传入3个参数，而实际上会隐含传入一个当前对象的引用作为第一个参数，所以四个参数依次为this，age，name，sid。

上面的4条指令刚好把这四个参数的值依次入栈，进行参数传递，然后调用了Student.<init>()方法，会创建该方法的栈帧，并入栈。栈帧中的局部变量表的第0到4个slot分别保存着入栈的那四个参数值。

创建Studet.<init>()方法的栈帧：

Student.<init>()方法中的字节码指令：

aload_0：将局部变量表slot0处的引用值入栈

aload_1：将局部变量表slot1处的int值入栈

aload_2：将局部变量表slot2处的引用值入栈

invokespecial #1：调用Person.<init>()方法，同调用Student.<init>过程类似，创建栈帧，将三个参数的值存放到局部变量表等，这里就不画图了……

从Person.<init>()返回之后，用于传参的栈顶的3个值被回收了。

aload_0：将slot0处的引用值入栈。

aload_3：将slot3处的引用值入栈。

putfield #2：将当前栈顶的值”20150723”赋值给0x2222所引用对象的sid字段，然后栈中的两个值出栈。

return：返回调用方，即main()方法，当前方法栈帧出栈。

重新回到main()方法中，继续执行下面的字节码指令：

astore_1：将当前栈顶引用类型的值赋值给slot1处的局部变量，然后出栈。

aload_1：slot1处的引用类型的值入栈

iconst_5：将常数5入栈，int型常数只有0-5有对应的iconst_x指令

bipush 6：将常数6入栈

invokevirtual #11：调用虚方法study()，这个方法是重写的接口中的方法，需要动态分派，所以使用了invokevirtual指令。

创建study()方法的栈帧：

最大栈深度3，局部变量表5

方法的java源码：

public int study(int a, int b){

int c = 10;

int d = 20;

return a+b*c-d;

}

对应的字节码：

注意到这里，通过jClassLib工具查看的字节码指令有点问题，与源码有偏差……

改用通过命令javap –v Student查看study()的字节码指令：

bipush 10：将10入栈

istore_3：将栈顶的10赋值给slot3处的int局部变量，即c，出栈。

bipush 20：将20入栈

istore 4：将栈顶的20付给slot4处的int局部变量，即d，出栈。

上面4条指令，完成对c和d的赋值工作。

iload_1、iload_2、iload_3这三条指令将slot1、slot2、slot3这三个局部变量入栈：

imul：将栈顶的两个值出栈，相乘的结果入栈：

iadd：将当前栈顶的两个值出栈，相加的结果入栈

iload 4：将slot4处的int型的局部变量入

isub：将栈顶两个值出栈，相减结果入栈：

ireturn：将当前栈顶的值返回到调用方。

重新回到main()方法中：

pop指令，将study()方法的返回值出栈

invokestatic #12 调用静态方法getCnt()不需要传任何参数

pop：getCnt()方法有返回值，将其出栈

aload_1：将slot1处的引用值入栈

invokevirtual #13：调用0x2222对象的run()方法，重写自父类的方法，需要动态分派，所以使用invokevirtual指令

return：main()返回，程序运行结束。

以上，就是一个简单程序运行的大致过程，只是今天看书的一些理解，也许有错误的地方，希望不会贻笑大方……