JAVA虛擬機簡介

Java虛擬機

注意：我們這裏說的虛擬機是所謂的高級語言虛擬機， 並不是像Vmware那樣， 完全虛擬一個硬件和操作系統出來。

此外java虛擬機上還可以運行clojure, scala , Jruby, Jptyon等語言

Java虛擬機列表：
- https://www.zhihu.com/question/29265430?sort=created
- https://my.oschina.net/yygh/blog/598187

CPU處理器與操作系統的整體叫平臺，每種CPU都有其特定的指令集，不同的操作系統支持不同CPU的指令集。語言跨平臺是編譯後的文件跨平臺 即.class文件，而不是源程序（.java文件）跨平臺。由於cpu指令集的差異所以Java虛擬機在不同平臺的實現是不一樣的。這樣就不會像彙編語言對平臺的依賴性那麼大。

虛擬機並不是Java的專利

Ruby, PHP, Python都有自己的虛擬機

爲什麼要用虛擬機？

• 跨平臺
  
  • CPU指令集不用
  • 操作系統接口不同
• 效率更高
  
  • 相對於解釋型語言
• 抽象層次高，更容易編程
  
  • 消除指針
  • 不用管理內存
  • ……

Class 二進制文件一覽

先來直觀的看一下一個class 文件的格式，使用16進制的方式來展示二進制的數據。

看起來很亂的一個個字節其實是有嚴格次序的， 這些次序就是java 虛擬機所規定的U4, U2中的 U 指的是無符號數 U4 就是4個字節， U2 就是2個字節。先簡單介紹下部分區域的作用，以後會繼續寫專題博客。常量池：的作用是存放 類名，方法名，超類，字段名等。你可能會有疑問類名爲什麼保存？ C++編譯地址，而java是動態鏈接，每次都是通過名稱來找類。屬性：jvm非常重要的一部分描述方法中或字段的信息 metadata（元數據），元數據就是描述數據的數據。

魔術與版本號，常量池個數

• Magic Number

  • 每個class文件的頭4個字節稱爲魔術（Magic Number），它的唯一作用就是確定這個文件是否爲一個能被虛擬機接受的Class文件。

• Major/Minor Version ： 版本號

• 16進制
  Major Version (0x34) = 52
• 常量池個數 (0x36) = 54
  
  • 大端模式（Big-Endian）：高位在前
  • 00 36 vs 36 00

注意:小端模式： 低位在前。JVM用的是大段模式.物理的CPU用的可能是小端模式， 所以JVM與底層交互時地址值需要做轉換。

常量池

想象一下， 我們解析這個class的時候，該怎麼處理？ 遇到了”07”,我們知道這是一個class info , 就去取後面的兩個字節當成index , 遇到01 就知道這是一個UTF8Info …，這些數值在JAVA虛擬機規範中都有定義。

注意：與JAVA中語言習慣不同的是，這個容量計數器是從1而不是0開始的，如上圖，常量池容量爲0x0036，即十進制的54，這就代表常量池中有53項常量，索引值的範圍爲1~53。

常量池例子

剛纔咱們看到了常量池中的兩項： Class Info , UTF8 Info , 這裏列出了更多的常量項， 注意我們最最常用的幾個 MethodRef, NameAndType, FieldRef注意他們之間的關係。詳細信息請參考JAVA虛擬機規範。你可能會注意到以下這些特殊字符 I ： int ， L : 代表類， [ : 一維數組， （）V：沒有返回值的方法。

幾種最常見的結構

CONSTANT_Fieldref_info {       
    u1 tag;       //值爲9
    u2 class_index;       
    u2 name_and_type_index; 
} 

CONSTANT_Methodref_info {    
    u1 tag;         //值爲10
    u2 class_index;       
    u2 name_and_type_index; 
}

CONSTANT_NameAndType_info {  
    u1 tag;     //值爲12
    u2 name_index;  
    u2 descriptor_index; 
}

注意：詳情請參見《java虛擬機規範》

訪問標誌(Access Flags) : U2

這個標誌用於識別一些類或者接口層次的訪問信息，包括：這個Class是類還是接口；是否定義爲public類型；是否定義爲abstract類型；如果是類的話，是否被聲明爲final等。

類索引(U2) 、父類索引(U2)

思考問題：爲什麼需要記錄this class?

字段(Field)

字段表（field_info）用於描述接口或類中聲明的變量

u2 fields_count;   // 有多少個字段

field_info {  
    u2 access_flags;   // 例如是public , private 等等
    u2 name_index;   // 指向常量池的入口
    u2 descriptor_index;   //指向常量池的入口
    u2 attributes_count;   // 該字段的屬性有多少個
    attribute_info attributes[attributes_count];  //屬性信息
}

標誌字符含義

方法(method)

例子：左邊是JVM中的信息 右邊是源代碼（參數名省略用”xx”）
(Ljava/lang/String;)V —> void( String xx)
(Ljava/lang/String;IF)V —> void ( String xx, int xx, float xx )

屬性（class 文件中最複雜的部分）

• 截至Java SE7, 已經有21個屬性

• 方法和字段都可能有屬性

  • 例如：方法中有Code屬性， 字段有Constant Value屬性

• 屬性中可能有嵌套屬性

  • Code屬性中還有Line Number Table, Local Variable Table，Stack Map Table 等屬性
• 可以自定義屬性

Constant Value

如果某字段爲靜態類型（ access_flags 中包含 ACC_STATIC 標誌），
將會被分配 ConstantValue 屬性

ConstantValue_attribute {  
    //必須是一個對常量池的有效索引。常量池在該索引處的項必須是UTF8Info，表示字符串“ConstantValue”。
    u2 attribute_name_index;   
    //固定爲2
    u4 attribute_length;  
    //必須是一個對常量池的有效索引。常量池在該索引處的項給出該屬性表示的常量值， 可能的值有Constant_String, Constant_Long…….
    u2 constantvalue_index; 
}

Code屬性

Code_attribute {  
  u2 attribute_name_index;  //指向常量池，應該是UTF8Info ,值爲”Code”
  u4 attribute_length;             //屬性長度， 不包括開始的6個字節
  u2 max_stack;                       // 操作數棧的最大深度（注：編譯時已經確定）
  u2 max_locals;                      // 最大局部變量表個數
  u4 code_length;                    // 該方法的代碼長度
  u1 code[code_length];         //真正的字節碼
  u2 exception_table_length;    
  { 
        u2 start_pc;   
        u2 end_pc;   
        u2 handler_pc;   
        u2 catch_type;  
} exception_table[exception_table_length];  
  u2 attributes_count;  
  attribute_info attributes[attributes_count]; 
} 

Code屬性中的字節碼

真正的字節碼就是一個個字節而已。但是，在執行的過程中需要把他們拆解成操作碼和操作數兩個部分， 特別需要注意的是， 每個操作碼所需要的操作數不一定一樣！ ， 有的沒有操作數(2A , aload_0)， 有的有一個(10 , 1E -> bipush 30)，有的有兩個，例如 A2 00 0E （if_icmp_ge 20）對於操作數而言， 有的就是立即數，例如goto 28 , bipush 30 , 有的是指向常量池的索引。每個操作碼的具體含義可以在《Java虛擬機規範》中找到

LineNumberTable屬性

LineNumberTable_attribute {

  u2 attribute_name_index;

  u4 attribute_length;

  u2 line_number_table_length;
  { 
    u2 start_pc;    // 字節碼偏移量
    u2 line_number;   //行號
  } line_number_table[line_number_table_length];

}

可選的變長屬性， 描述Java 源碼行號與字節碼行號（字節碼偏移量）之間的對應關係， 調試器可以使用， 屬於Code屬性

LocalVariableTable屬性

LocalVariableTable_attribute {

  u2 attribute_name_index;

  u4 attribute_length;

  u2 local_variable_table_length;

  {
    u2 start_pc;    //局部變量位於 [start_pc, start_pc+length) 之間
    u2 length;   
    u2 name_index;    //局部變量的名稱索引
    u2 descriptor_index;  //局部變量的描述符索引
    u2 index;                      //局部變量在棧幀中的索引
  } local_variable_table[local_variable_table_length]; 
}

是可選變長屬性，描述棧幀中局部變量表中的變量和java 源碼中定義的變量之間的關係， 屬於Code屬性

運行時結構圖

每個程序運行起來至少都有一個線程，每個線程都有一個函數幀。JVM細分了函數棧。操作數棧的作用：java是基於棧的虛擬機，例如想把兩個數進行相加的話必須把操作數A壓入棧，與操作數B壓入棧，然後把兩個數相加再壓入棧，然後再彈出棧。操作數棧與局部變量都會引用堆上的對象。常量池的引用在方法區，方法區存放了這個類的數據。

一個例子

編譯前與編譯後

執行時函數棧幀

0:aload_0 說明把局部變量表第0哥元素壓入棧

形成新的函數棧幀

先把demo棧幀的三個數copy到新棧幀的局部變量表中，然後開始執行add操作數棧。
什麼是動態鏈接？名稱與對象對應起來，方便以後的操作。
有三個概念需要清楚：

常量池（Constant Pool）：常量池數據編譯期被確定，是Class文件中的一部分。存儲了類、方法、接口等中的常量，當然也包括字符串常量。

字符串池/字符串常量池（String Pool/String Constant Pool）：是常量池中的一部分，存儲編譯期類中產生的字符串類型數據。

運行時常量池（Runtime Constant Pool）： 方法區的一部分，所有線程共享。虛擬機加載Class後把常量池中的數據放入到運行時常量池。

部分內容參考自：
《深入理解java虛擬機》
《JAVA虛擬機規範》
　Wanna的博客