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  • Java之字节码(3)

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    首先了解一下理论知识:

    字节码:

    Class文件是8位字节流,按字节对齐。之所以称为字节码,是因为每条指令都只占据一个字节,所有的操作码和操作数都是按字节对齐的。如:0×03表示iconst_0

    Class文件的头4个字节称为魔数(Magic Number),它的唯一作用是用于确认该文件是否是能被JVM接受的Class文件。魔数值为:0xCAFEBABE。

    紧接着魔数的4个字节是Class文件的版本号:第5和第6字节是次版本号(Minor Version),第7和第8字节是主版本号(Major Version)。Java的版本号从45开始的,JDK6的版本号是50。

    javap –verbose class文件,查看字节码内容

    全限定名:把类全名中的“.”替换成“/”最后加入一个“;”表示结束。如com/test/TestClass;

    描述符:基本类型及void用大写字符表示,对象类型用字符L加对象的全限定名表示。

    标识字符 含义
    B 基本类型byte
    C char
    D double
    F float
    I int
    J long
    S short
    Z boolean
    V void
    L 对象类型,如Ljava/lang/Object;

    对于数组类型,每一维度将使用一个前置的“[”字符来描述,如定义一个“java.lang.String[][]”类型的二维数组,将被记录为:“[[Ljava/lang/String;”,一个整型数组“int[]”将被记录为“[I”.

    用描述符来描述方法时,按照先参数列表,后返回值的顺序描述,参数列表按照参数的严格顺序放在一组小括号“( )”之内,如方法void inc()的描述符为“( )V”,方法java.lang.String toString() 的描述符合为“( )Ljava/lang/String;”,方法int indexOf(char[] source, int sourceOffset,int sourceCount, char[] target, int targetOffset, int targetCount, int fromIndex)的描述符为“([CII[CIII)I”

    类构造器“<clinit>”方法,实例构造器“<init>”

    JVM中最基本的数据单元是字,字长必须足够大,至少一个字长足以持有byte、short、int等的值,2个字长足以持有long、double的值,字长可以选择32位或者64位。

    字长是CPU的主要技术指标之一,指的是CPU一次能并行处理的二进制位数,字长总是8的整数倍,通常PC机的字长为16位(早期),32位,64位。

    栈帧的2个部分:局部变量区和操作数栈,是按字来定义的。当把值放入局部变量区或者操作数栈时,它将占有1个或2个字单元。

    每启动一个新线程,JVM都为它分配一个Java栈,Java栈以帧为单位保存线程的运行状态,JVM对Java栈执行2种操作:以帧为单位的压栈和出栈。

    每当线程调用一个Java方法时,JVM会在线程的Java栈中压入一个新帧,而这个新帧也成了当前帧,当执行这个方法时,它使用这个帧来存储参数、局部变量、中间运算结果等数据。

    Java方法有2种方式完成,一种通过return返回,一种通过抛出异常中止,不管那种方式,JVM都将当前帧弹出Java栈然后释放掉,这样上一个方法的帧就成为当前帧了。

    Java栈上的所有数据都是此线程私有的,任何线程都不能访问另一个线程的栈数据,因此栈数据是线程安全的。

    栈帧由3部分组成:局部变量区、操作数栈、帧数据区。

    局部变量区和操作数栈是以字长(32位)为单位的数组。

    局部变量区包含方法的参数和局部变量,编译器首先按把这些参数放入局部变量数组。Java栈帧的局部变量区被组织为一个以字长为单位,从0开始计数 的数组。字节码指令通过从0开始的索引来使用其中的数据,如iload_1(把局部变量区的第2个变量压入栈顶),byte、short、int等的值在 数组中只占据1项,而long、double的值在数组中占据连续的2项。

    操作数栈:和局部变量区一样,操作数栈也是被组织成一个以字长为单位的数组,但是它不是通过索引来访问,而是通过标志的栈操作:压栈和出栈来访问的。如iadd指令,从操作数栈中弹出2个整数,执行加法运算,然后将其结果压回操作数栈。

    iload_0 //将局部变量区的第1个变量压入栈

    iload_1 //将局部变量区的第2个变量压入栈

    iadd   //栈中弹出2个整数,执行加法运算,然后将其结果压回操作数栈

    istore_2 //将栈顶的整数出栈,并存入局部变量区的第3个变量

    一般读取局部变量区的数据,需要把局部变量区的变量压入栈,

    把值写到局部变量区,也需要先压入栈,再写到局部变量区

    帧数据区:存放常量池(要访问的类、字段、方法名等),异常表等数据。

    LineNumberTable:字节码偏移量与源代码之间的映射关系。

    常见指令:iload_1, istore_1, iconst_1, ldc, bipush, pop, dup, iadd, isub, imul, idiv, return, goto,invoke…, new, newarray, arraylength, instanceof,athrow,monitorenter, monitorexit

    然后用字节码了解一下JVM的语法糖:

    语法糖:

    泛型、自动装箱、自动拆箱、循环遍历、变长参数、条件编译、内部类、枚举类、断言语句、对枚举的switch

    类型擦除:

    public class TestCls3

    {//编译失败,因为List<String>List<Integer>的泛型被擦除,变成原生类型List

        public static void method(List<String> list)

        {

            System.out.println("invoke method1");

        }

       

        public static void method(List<Integer> list)

        {

            System.out.println("invoke method2");

    }

    }

    public class TestCls3

    {//可以执行,因为在Class文件中,只有描述符不完全一致的两个方法就可以共存

    //也就是说两个方法如果有相同的名称和特征签名,但返回值不同,也是可以共存在一个Class文件的

        public static String method(List<String> list)

        {

            System.out.println("invoke method1");

            return "";

        }

       

        public static int method(List<Integer> list)

        {

            System.out.println("invoke method2");

            return 1;

        }

       

        public static void main(String[] args)

        {

            method(new ArrayList<String>());

            method(new ArrayList<Integer>());

        }

    }

    javap –verbose demo.TestCls3

    Constant pool:

    const #17 = Asciz       (Ljava/util/List<Ljava/lang/String;>;)Ljava/lang/String;

    ;

    const #39 = Asciz       (Ljava/util/List<Ljava/lang/Integer;>;)I;

    public static java.lang.String method(java.util.List);  //方法名擦除为List

      Signature: length = 0×2

       00 11   //指到常量池中的第17

    public static int method(java.util.List);     //方法名擦除为List

      Signature: length = 0×2

       00 27   //指到常量池中的第39

    类型擦除,仅仅对方法的Code属性中的字节码进行擦除,元数据Signature还是保留了泛型数据。(Method类的signature变量)

    Java的条件编译

    只有条件为常量且只有if语句才能有这种效果

    public class TestCls5

    {

        public static void main(String[] args)

        {

            if (true)

            {

                System.out.println(“true”);

            }

            else

            {

                System.out.println(“false”);

            }

        }

    }

    编译后的字节码只包含:System.out.println(“true”);

    public class TestCls5

    {

      public static void main(String[] args)

      {

        System.out.println(“true”);

      }

    }

    自增++操作的线程非安全:

    public class TestCls5

    {

        private static volatile int count;

        public static void main(String[] args)

        {

            count++;

        }

    }

    对应字节码(分为4个指令,在多线程下访问可能出现脏数据):

    Code:

     0:   getstatic       #18; //Field count:I   获取指定类的静态域,并将其值压入栈顶

     3:   iconst_1                         将整型常量1压入栈顶

     4:   iadd                             将栈顶的2个值出栈并相加,然后将结果入栈顶

     5:   putstatic       #18; //Field count:I   为指定的类的静态域赋值

     8:   return                            方法返回

    字符串的+操作(javac编译器会对String连接做自动优化):

    public String constractStr(String str1, String str2, String str3)

        {

            return str1 + str2 + str3;

    }

    对应字节码(JDK1.5之后转换为调用StringBuilder.append方法):

      Code:

       0:   new     #24; //class java/lang/StringBuilder

       3:   dup

       4:   aload_1

       5:   invokestatic    #26; //Method java/lang/String.valueOf:(Ljava/lang/Objec

    t;)Ljava/lang/String;

       8:   invokespecial   #32; //Method java/lang/StringBuilder.”<init>”:(Ljava/la

    ng/String;)V

       11:  aload_2

       12:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

    /String;)Ljava/lang/StringBuilder;

       15:  aload_3

       16:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

    /String;)Ljava/lang/StringBuilder;  ――调用StringBuilder的append方法

       19:  invokevirtual   #39; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/l

    ang/String;

       22:  areturn     ――返回引用

    public String constractStr()

        {

            return “str1″ + “str2″ + “str3″;

    }

    对应的字节码:

    Code:

     0:   ldc     #24; //String str1str2str3         –将字符串常量压入栈顶

     2:   areturn

    public String constractStr(String str3)

        {

            return “str1″ + “str2″ + str3;

    }

    对应的字节码:

      Code:

       0:   new     #24; //class java/lang/StringBuilder

       3:   dup

       4:   ldc     #26; //String str1str2   –将字符串常量str1str2压入栈顶

       6:   invokespecial   #28; //Method java/lang/StringBuilder.”<init>”:(Ljava/la

    ng/String;)V

       9:   aload_1

       10:  invokevirtual   #31; //Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang

    /String;)Ljava/lang/StringBuilder;     ――调用StringBuilder的append方法

       13:  invokevirtual   #35; //Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/l

    ang/String;

       16:  areturn

     
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