Java程序运行原理分析

class文件内容

• class文件包含Java程序执行的字节码
• 数据严格按照格式紧凑排列在class文件的二进制流，中间无分割符
• 文件开头有一个0xcafebabe(16进制)特殊的标志

JVM运行时数据区

线程独占: 每个线程都会有它独立的空间,随线程的生命周期而创建和销毁
线程共享: 所有线程都能访问这块内存数据,随虚拟机或GC而创建和销毁
方法区

• 方法区是各个线程共享的内存区域
• 用于存储已被虚拟机加载的类信息, 常量,静态变量, 即时编译后的代码等数据
• 虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分, 但它却有一个别名叫Non-Heap, 目的应该是与Java堆区分开来
• Oracle的Hotspot虚拟机在Java7中方法区放在’永久代’(Permanent Generation), Java8放在元数据空间, 并且通过GC机制对这个区域进行管理
• 运行时常量池是方法区的一部分
  Java堆
• Java堆是被所有共享的一块内存区域, 在虚拟机启动时创建
• 存放对象的实例
• 垃圾收集器的主要管理区域
• Java堆还可以细分为: 新生代和老年代, 新生代又可以细分为Eden 空间, From Survivor空间 和To Survivor空间
• 空间满了会抛OutOfMemoryError

Java虚拟机栈

• Java虚拟机栈是线程私有的, 它的生命周期与线程相同
• Java虚拟机栈描述的是Java方法执行的内存模型: 每个方法被执行的的时候都会同时创建一个栈帧(栈帧是方法运行时的基础数据结构)用于存储局部变量表, 操作栈, 动态链接, 方法出口等信息.
• 栈内存默认最大是1M, 超出则抛出StackOverFlowError

本地方法栈

• 本地方法栈与虚拟机栈的功能类似, 虚拟机栈是为虚拟机执行Java方法而准备的, 本地方法栈是为虚拟机使用Native本地方法而准备的
• Hotspot虚拟机中虚拟机栈与本地方法栈的实现方式一样, 超出大小后也会抛StackOverFlowError

程序计数器

• 程序计数器是线程私有的一块较小的内存空间
• 记录当前线程执行的字节码位置, 存储的是字节码指令地址, 如果执行Native方法, 则计数器为空
• CPU同一时间, 只会执行一条线程的指令. JVM多线程会轮流切换并分配CPU的执行时间的方式. 为了线程切换后, 需要通过程序计数器来恢复正确的执行位置
  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."":()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
#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 // "":()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."":()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