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探索Java JVM Class文件结构:无符号数与表的基石
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更新于2024-06-21
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本文档主要探讨了Java虚拟机(JVM)Class文件的结构,这是一种关键的底层技术在Java应用程序开发中的角色。Class文件是Java源代码编译后的二进制形式,它是Java程序在JVM上运行的基础。文档首先介绍了Class文件的数据类型结构,包括无符号数和表这两种核心数据结构。无符号数用于存储基本数据类型,如整型、浮点型、索引引用和字符串值,其中u1、u2、u3、u8分别对应1、2、4和8字节的数值。表则是复合数据结构,由多个无符号数或表组成,常以"_info"后缀标识。 Java虚拟机(JVM)是一个抽象的计算机环境,不依赖于特定硬件或操作系统。它定义了执行Java字节码的标准,使得Java程序能够在不同的平台上运行。JVM具有指令集和运行时内存区域,包括堆、栈、方法区等。JVM规范是官方对Java虚拟机行为的标准化规定,随着JDK版本的更新,规范也会有所调整。 文档还提到了JVM的发展历程,从1996年JDK1.0发布,首次引入了Java虚拟机(如Sun的ClassicVM),到后来的JDK1.1版本,增加了更多基础技术支持,如JDBC。随后的版本,如HotSpot(目前OracleJDK与OpenJDK的默认选择)、JRockit、J9(IBM的产品)、Android Dalvik VM(针对Android设备)以及专为嵌入式和跨语言应用设计的GraalVM等,都展示了JVM技术的多样化和不断演进。 理解Class文件结构是深入研究Java编程和性能优化的重要环节,通过掌握这些基础知识,开发者可以更好地编写和优化Java程序,确保其在JVM上高效且跨平台运行。
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3.1.1.1 加载
类将通过此组件加载。Boot Strap Class Loader,Extension Class Loader
和 Application Class Loader 是有助于实现的三个类加载器。
Boot Strap Class Loader——负责加载来自于 Bootstrap 类路径的类,
就是 rt.jar。此加载程序将给予最高优先级。
Extension Class Loader——负责加载在 ext 文件夹(jre lib)内的类。
Application Class Loader——负责加载应用程序级类路径,路径提到
环境变量等
上面的类记载器在加载类文件时遵循 Delegation Hierarchy 算法。
3.1.1.2 链接
验证——字节码验证器将验证生成的字节码是否正确,如果验证失败,我们
将得到 verification error。
准备——对于所有的静态变量,内存将被分配和配置默认值。
解析——所有的符号存储器引用都将替换为来自Method Area的原始引用。
3.1.1.3 初始化
这是类加载的最后阶段,这里所有的静态变量都将被赋予原始值,并执行静
态块。
3.1.2 运行时数据区
3.1.2.1 方法区
所有的类级别数据将存储在这里,包括静态变量。每个 JVM 只有一个方法
区,并且它是一个共享资源。
3.1.2.2 堆区
所有对象及其对应的实例变量和数组将存储在这里。每个 JVM 也有一个堆
区域。由于方法和堆区域共享多个线程的内存,因此所存储的数据非线程安
全。
3.1.2.3 栈区
对于每个线程,将创建一个单独的运行时栈。对于每个方法调用,将在堆栈
存储器中产生一个条目,称为堆栈帧。所有局部变量将在堆栈内存中创建。
堆栈区域是线程安全的,因为它不是共享资源。堆栈帧分为三个子元素:
局部变量数组:与方法相关,涉及局部变量,并在此存储相应的值
操作数堆栈:如果需要执行任何中间操作,操作数堆栈将充当运行时工
作空间来执行操作
帧数据:对应于方法的所有符号存储在此处。在任何异常的情况下,捕
获的区块信息将被保持在帧数据中
3.1.2.4 PC 寄存器
每个线程都有单独的 PC 寄存器,用于保存当前执行指令的地址,一旦指令
执行,PC 寄存器将更新到下一条指令。
3.1.2.5 本地方法栈
本地方法堆栈保存本地方法信息。对于每个线程,将创建一个单独的本地方
法堆栈。
3.1.3 执行引擎
分配给运行时数据区的字节码将由执行引擎执行。执行引擎读取字节码并逐
个执行它。
3.1.3.1 解释器
解释器解释字节码较快,但执行慢。解释器的缺点是当一个方法被多次调用
时,每次都需要新的解析。
3.1.3.2 JIT 编译器
JIT 编译器消除了解释器的缺点。执行引擎将在转换字节码时使用解释器的
帮助,但是当它发现重复的代码时,它使用 JIT 编译器,编译器会编译整个
字节码并将其更改为本地代码。这个本地代码将直接用于重复的方法调用,
从而提高系统性能。
中间代码生成器:生成中间代码
代码优化器:负责优化上面生成的中间代码
目标代码生成器:负责生成机器代码或本地代码
分析器:一个特殊组件,负责查找热点,即该方法是否被多次调用
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