JVM 内部原理（五）— 基本概念之 Java 虚拟机官方规范文档，第 7 版

JVM 内部原理（五）— 基本概念之 Java 虚拟机官方规范文档，第 7 版

介绍

版本：Java SE 7

每位使用 Java 的程序员都知道 Java 字节码在 Java 运行时（JRE - Java Runtime Environment）里运行。Java 虚拟机（JVM - Java Virtual Machine）是 Java 运行时（JRE）的重要组成部分，它可以分析和执行 Java 字节码。Java 程序员不需要知道 JVM 是如何工作的。有很多应用程序和应用程序库都已开发完成，但是它们并不需要开发者对 JVM 有深入的理解。但是，如果你理解 JVM ，那么就可以对 Java 更有了解，这也使得那些看似简单而又难以解决的问题得以解决。

在本篇文章中，我会解释 JVM 是如何工作的，它的结构如何，字节码是如何执行的及其执行顺序，与一些常见的错误及其解决方案，还有 Java 7 的新特性。

目录

• 虚拟机（Virtual Machine）

• Java 字节码

  • 症状

  • 原因

• 类文件格式（Class File Format）

  • 症状

  • 原因

• JVM 结构

  • 类装载器（Class Loader）

  • 运行时数据区

  • 执行引擎

• Java 虚拟机官方规范文档，第 7 版

  • 分支语句中的字符串

• 总结

内容

Java 虚拟机官方规范文档，第 7 版

在 2011 年 7 月 28 日，Oracle 发布了 Java SE 7 并更新了 JVM 官方规范文档至 Java SE 7 的版本。在 1999 年发布《Java 虚拟机官方规范文档，第二版》后，Oracle 花了 12 年时间做这版更新。更新版本的内容包括这 12 年来积累的各种变更修改，规范文档的描述更为清晰。除此之外，它还反映了《Java 语言规范文档，第七版》的内容。主要的更新概括如下：

• Java SE 5.0 引入泛型，支持方法的参数变量。
• 字节码验证过程的技术从 Java SE 6 开始发生变化。
• 增加 invokedynamic 指令以及相关的类文件格式支持动态类型语言。
• 删除了对于 Java 语言本身的概念性描述，并将其归入《Java 语言规范文档》中。
• 删除了关于 Java 线程和锁的描述，并将其写入《Java 语言规范文档》。

最大的改变要数增加 invokedynamic 指令。这也意味着 JVM 内部指令集发生了变化，也就是说 JVM 从 Java SE 7 开始支持类型非固定的动态类型语言，如脚本语言，以及动态的 Java 语言。之前没有使用的操作码（OpCode）186 被应用到新指令 invokedynamic 以及新的类文件格式中以支持动态性，

由 Java 编译器 Java SE 7 创建的类文件版本是 51.0 。Java SE 6 的版本是 50.0 。类文件格式发生了很大变化，因此 51.0 版本的类文件不能运行于 Java SE 6 的 JVM 。

尽管有如此之多的变化，Java 方法的 65535 字节长度限制并没有被移除。除非 JVM 类文件格式发生了创新式的变化，否则它也不太可能在将来移除。

Oracle Java SE 7 VM 支持 G1 ，这个新的垃圾回收机制；不过，它仅限于 Oracle JVM ，所以 JVM 本身并不受限于任何垃圾回收机制。因此，JVM 官方规范文档并没有对此进行描述。

分支语句中的字符串

Java SE 7 增加了多种语法和特性。不过，与 Java SE 7 中语言发生的许多变化相比，JVM 并没有发生很多变化。那么，Java SE 7 的新特性是如何实现的呢？我们通过反编译看看 String 在分支语句中（一个将字符串传入 switch() 语句进行比较的功能）的实现方式。

有如下代码：

// SwitchTest
public class SwitchTest {
    public int doSwitch(String str) {
        switch (str) {
        case "abc":        return 1;
        case "123":        return 2;
        default:         return 0;
        }
    }
}

因为它是 Java SE 7 的新功能，所以它不能使用 Java SE 6 或更低版本的编译器来编译。用 Java SE 7 的 javac 编译它。用 javap -c 显示编译结果：

C:Test>javap -c SwitchTest.classCompiled from "SwitchTest.java"
public class SwitchTest {
  public SwitchTest();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return  public int doSwitch(java.lang.String);
    Code:
       0: aload_1
       1: astore_2
       2: iconst_m1
       3: istore_3
       4: aload_2
       5: invokevirtual #2                  // Method java/lang/String.hashCode:()I
       8: lookupswitch  { // 2
                 48690: 50
                 96354: 36
               default: 61
          }
      36: aload_2
      37: ldc           #3                  // String abc
      39: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      42: ifeq          61
      45: iconst_0
      46: istore_3
      47: goto          61
      50: aload_2
      51: ldc           #5                  // String 123
      53: invokevirtual #4                  // Method java/lang/String.equals:(Ljava/lang/Object;)Z
      56: ifeq          61
      59: iconst_1
      60: istore_3
      61: iload_3
      62: lookupswitch  { // 2
                     0: 88
                     1: 90
               default: 92
          }
      88: iconst_1
      89: ireturn
      90: iconst_2
      91: ireturn
      92: iconst_0
      93: ireturn

字节码的内容要比 Java 源代码多很多。首先，可以看到 lookupswitch 指令已经被 switch() 语句使用到字节码中。但是，有两个 lookupswitch 指令而不是一个。反编译后可以看到 int 传入 switch() 语句，但是只有一个 lookupswitch 指令用到了。也就是说 switch() 语句被拆分成了两个语句来处理字符串。查看 #5、#39 和 #53 号字节指令看 switch() 语句是如何处理字符串的。

在 #5 和 #8 号字节中，首先，hashCode() 方法被执行，然后 switch(int) 是通过使用 hashCode() 方法的运行结果来执行的。在 lookupswitch 指令的括号中，分支根据 hashCode 的值来定位到不同地方。字符串 “abc” 的 hashCode 结果是 96354 ，被定位到 #36 号字节。字符串 “123” 的 hashCode 结果是 48690 ，被定位到 #50 号字节。

在 #36、#37、#39 和 #42 号字节中，可以发现接收的 str 变量值作为参数与 String “abc” 和 equals() 方法比较。如果结果相同，“0” 被插入到 #3 号本地变量列表的索引位置，字符串被移动到 #61 号字节。

通过这种方式，在 #50、#51、#53 和 #56 字节中，可以发现接收的 str 变量值作为参数与 String “123” 和 equals() 方法比较。如果结果相同，“1” 被插入到 #3 号本地变量列表的索引位置，字符串被移动到 #61 号字节。

在 #61 和 #62 号字节中，以 #3 号本地变量列表的索引位置的值，如：“0”、“1” 或其他值，进行 lookupswitch 和分支处理。

换句话说，在 Java 代码中，接收的 str 变量值作为 switch() 参数使用 hashCode() 方法和 equals() 方法进行比较。switch() 方法根据 int 值的结果执行。

在这个结果中，被编译的字节码与之前的 JVM 规范文档并没有任何不同。Java SE 7 的新特性，字符串分支语句，是由 Java 编译器来处理的，而不是 JVM 本身。以类似的方式，Java SE 7 的其他新特性也是通过 Java 编译器进行处理的。

总结

这里评审 Java 语言是如何设计让 Java 可以更容易的使用没有太大必要。有很多 Java 程序员并没有对 JVM 有很深入的了解，却也开发出了很多优秀的应用和库。不过，如果能够深入理解 JVM ，我们就能处理这些例子中出现的问题。

除了这里提到的内容，JVM 有很多特性和技术。JVM 规范文档为 JVM 厂商提供了灵活的空间，让他们应用各种不同的技术从而提供更好的性能。特别是垃圾回收技术，它被大多数语言使用，提供与 VM 类似的使用方式以及最新最前沿的性能优化技术。但是，这些内容在很多卓越的研究中都会被讨论到，在此不作深入解释。

参考

参考来源:

JVM Specification SE 7 - Run-Time Data Areas

2011.01 Java Bytecode Fundamentals

2012.02 Understanding JVM Internals

2013.04 JVM Run-Time Data Areas

Chapter 5 of Inside the Java Virtual Machine

2012.10 Understanding JVM Internals, from Basic Structure to Java SE 7 Features

2016.05 深入理解java虚拟机

结束