JAVA程序运行原理分析

JAVA程序的运行原理：

1. 源文件（.java源代码）通过编译器编译成字节码文件class。

2. 通过JVM中的解释器将字节码文件生成对应的可执行文件，运行。

将编译后的程序加载到方法区，存储类信息。

4. 运行时，JVM创建线程来执行代码，在虚拟机栈和程序计数器分配独占的空间。根据方法区里的指令码，在虚拟机栈对线程进行操作，程序计数器保存线程代码执行到哪个位置。

“一处编写，处处运行”：编译后，不依赖于平台环境，在各种操作系统均可运行。

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Class字节码文件：是一个二进制文件，包含了JAVA程序执行的字节码，包含的信息有版本、访问标志、常量池、当前类、超级类、接口、字段、方法、属性等，中间没有任何分隔符，文件开头有一个特殊标志，用16进制表示为0xcafebabe。

Class文件反编译后，可通过“JVM指令码表”查看指令，这些指令运行时都保存在方法区。

从指令码中看出，没有定义构造函数时，会有隐式的无参构造函数；方法参数保存在虚拟机栈里的本地变量表，每一个main方法都有一个String数组参数，保存在本地变量表的变量0。

JVM运行时数据区：包含线程共享部分和线程独占部分。

线程共享：线程共同访问的内存数据空间，随着JVM（虚拟机）或者GC（垃圾回收）而创建和销毁。包含方法区和堆内存。

1、方法区：JVM用来存储加载的类信息、常量、静态变量、编译后的代码等数据。在JVM规范中，这是一个逻辑区，根据不同的虚拟机有不同的具体实现，如oracle的HotSpot的方法区，在java7中放在永久代，java8中放在元数据空间，并通过GC机制对这个区域进行管理。目前有三大Java虚拟机：HotSpot，oracle JRockit，IBM J9。

2、堆内存：存放对象的实例，在JVM启动时创建。可细分为老年代、新生代，垃圾回收器主要就是管理堆内存，如果满了就会出现OOM（OutOfMemoryError）。

线程独占：每个线程都会有自己独立的空间，随着线程的生命周期而创建和销毁。包含虚拟机栈、本地方法栈、程序计数器。

1、虚拟机栈：即虚拟机执行JAVA代码的栈，每个线程都会在这有一个私有空间。线程栈由多个栈帧（Stack Frame）组成，一个线程会执行一个或多个方法，一个方法对应一个栈帧。栈帧内容包括：局部变量表、操作数栈、动态链接、方法返回地址、附加信息等。栈内存默认最大是1M，超出则抛StackOverflowError。

2、本地方法栈：即虚拟机执行Native本地方法的栈，和虚拟机栈的主要区别是执行的方法不同。在虚拟机规范没有规定具体的实现，由不同的虚拟机厂商去实现。HotSpot虚拟机中虚拟机栈和本地方法栈的实现方式是一样的，超出大小后也会抛出StackOverflowError。

3、程序计数器：记录当前线程执行字节码的位置，存储的是字节码指定地址，如果执行Native方法，则计数器值为空。每个线程在这都有一个私有空间，占用很少的内存空间。

CPU同一时间只会执行一条线程中的指令，JVM多线程会轮流切换并分配CPU执行时间，在线程切换后，需要通过程序计数器来回复正确的执行位置。

查看class文件内容

使用Demo.Java进行测试, 运行javac Demo.java编译成class文件, 然后运行javap -v Demo.class > Demo.txt查看class文件内容

Demo.Java

public class Demo{
    public static void main(String[] args){
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x / y;
        int b = 50;
        System.out.println(a + b);
    }
}

Demo.txt

Classfile /E:/*/Demo.class
  Last modified 2019-6-30; size 412 bytes
  MD5 checksum efd785af33e58aa9fc9834110b74b87b
  Compiled from "Demo.java"
public class Demo
  minor version: 0      //次版本号
  major version: 52       //主版本号 版本号规则: JDK5,6,7,8分别对应49,50,51,52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER    //访问标志
Constant pool:    // 常量池 类信息包含的静态常量, 编译之后就能确认
   #1 = Methodref          #5.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = Methodref          #17.#18        // java/io/PrintStream.println:(I)V
   #4 = Class              #19            // Demo
   #5 = Class              #20            // java/lang/Object
   #6 = Utf8               <init>
   #7 = Utf8               ()V
   #8 = Utf8               Code
   #9 = Utf8               LineNumberTable
  #10 = Utf8               main
  #11 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #12 = Utf8               SourceFile
  #13 = Utf8               Demo.java
  #14 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V
  #15 = Class              #21            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #22:#23        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Class              #24            // java/io/PrintStream
  #18 = NameAndType        #25:#26        // println:(I)V
  #19 = Utf8               Demo
  #20 = Utf8               java/lang/Object
  #21 = Utf8               java/lang/System
  #22 = Utf8               out
  #23 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #24 = Utf8               java/io/PrintStream
  #25 = Utf8               println
  #26 = Utf8               (I)V
{
  public Demo();     // 默认隐式无参的构造函数
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static void main(java.lang.String[]);    //程序的入口main方法
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC     //访问控制
    Code:
      stack=3, locals=5, args_size=1      //方法栈栈帧中操作数栈的深度,本地变量数量,参数数量
         0: sipush        500     //Jvm执行引擎执行这些源码编译过后的指令码, javap翻译出来的
         3: istore_1            //是操作符, class 文件内存储的是指令码, 前面的数据是偏移量,
         4: bipush        100     //Jvm根据这个去区分不同的指令. 详情参照'JVM指令码表'
         6: istore_2
         7: iload_1
         8: iload_2
         9: idiv
        10: istore_3
        11: bipush        50
        13: istore        4
        15: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
        18: iload_3
        19: iload         4
        21: iadd
        22: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
        25: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
        line 4: 4
        line 5: 7
        line 6: 11
        line 7: 15
        line 8: 25
}
SourceFile: "Demo.java"

程序完整运行分析

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