JVM - 认识JVM规范

目录

重识JVM

JVM规范作用及其核心

JVM 整体组成

理解ClassFile结构

ASM开发

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• 重识JVM

• JVM概述
• JVM：
  • Java Virtual Machine，也就是Java虚拟机
• 所谓虚拟机是指：
  • 通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的计算机系统
• JVM是通过软件来模拟Java字节码的指令集，是Java程序的运行环境
• JVM主要功能
  • 1.通过ClassLoader寻找和装载class文件
  • 2.解释字节码成为指令并执行，提供class文件的运行环境
  • 3.进行运行期间的内存分配和垃圾回收
  • 4.提供与硬件交互的平台
• 虚拟机是Java平台无关的保障

  

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• JVM规范作用及其核心

• JVM规范作用
• JVM虚拟机规范为不同的硬件平台提供了一种编译Java技术代码的规范
• 该规范使Java软件独立于平台，因为编译是针对作为虚拟机的“一般机器”而做
• 这个“一般机器”可用软件模拟并运行于各种现存的计算机系统，也可用硬件来实现
• JVM规范定义的主要内容
• 字节码指令集(相当于中央处理器CPU)
• Class文件的格式
• 数据类型和值
• 运行时数据区
• 栈帧
• 特殊方法
• 类库
• 异常
• 虚拟机的启动、加载、链接和初始化

• JVM 整体组成

• 1.类加载器(ClassLoader)
• 2.运行时数据区(Runtime Data Area)
• 3.执行引擎(Execution Engine)
• 4.本地库接口(Native Interface)
• 各个组成部分的用途：
• 程序在执行之前先要把java代码转换成字节码(class文件)
• jvm首先需要把字节码通过一定的方式 类加载器(ClassLoader) 把文件加载到内存中 运行时数据区(Runtime Data Area)
• 而字节码文件是jvm的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统去执行
• 因此需要特定的命令解析器 执行引擎(Execution Engine) 将字节码翻译成底层系统指令再交由CPU去执行
• 而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口(Native Interface) 来实现整个程序的功能
• 这就是这4个主要组成部分的职责与功能
• 而通常所说的jvm组成指的是运行时数据区(Runtime Data Area)
• 因为通常需要程序员调试分析的区域就是“运行时数据区”，或者更具体的来说就是“运行时数据区”里面的Heap(堆)模块

• 理解ClassFile结构

• Class文件是JVM的输入，Java虚拟机规范中定义了Class文件的结构
• Class文件是JVM实现平台无关、技术无关的基础
• Class文件是一组以8字节为单位的字节流，各个数据项目按序紧凑排列
• 对于占用空间大于8字节的数据项，按照高位在前的方式分割成多个8字节进行存储
• Class文件格式里面只有两种类型：无符号数、表
  • 无符号数：基本数据类型，以u1、u2、u4、u8来代表几个字节的无符号数
  • 表：由多个无符号和其它表构成的复合数据类型，通常以"_info"结尾
• 说明：
• javap工具生成非正式的“虚拟机汇编语言”，格式如下：
  • <index><opcode>[<operand1>[<operand2>...]][<comment>]
• <index>是指令操作码在数组中的下标，该数组以字节形式来存储当前方法的Java虚拟机代码；也可以是相对于方法起始处的字节偏移量
• <opcode>是指令的助记码
• <operand>是操作数
• <comment>是行尾的注释
• constant_pool_count：是从1开始的
• 不同的常量类型，用tag来区分，它后面对应的info结构是不一样的
• L表示对象，[ 表示数组、V表示void
• stack：方法执行时，操作栈的深度
• Locals：局部变量所需的存储空间，单位是 slot
• slot是虚拟机为局部变量分配内存所使用的最小单位
• args_size：参数个数，为1的话，因实例方法默认会传入 this，locals 也会预留一个slot来存放

• ASM开发

• ASM是一个Java字节码的操纵框架，它能被用来动态生成类或增强既有类的功能
• ASM可以直接产生二进制class文件，也可以在类被加载入虚拟机之前动态改变类行为
• ASM从类文件中读取信息后，能够改变类行为，分析类信息，甚至根据类的要求产生新类
• 目前许多框架如cglib、Hibernate、Spring都直接或间接地使用ASM操作字节码
• ASM编程模型
• Core API：提供了基于事件形式的编程模型
  • 该模型不需要一次性将整个类的结构读取到内存中，因此这种方式更快，需要的内存更少，但这种编程方式难度较大
• Tree API：提供了基于树型的编程模型
  • 该模型需要一次性将一个类的完整结构全部读取到内存中，所以这种方法需要更多的内存，这种编程方式较简单
• ASM的Core API
• ASM Core ApI 中操纵字节码的功能基于 ClassVisitor 接口
• 这个接口中的每个方法对应了class文件中的每一项
• ASM 提供了三个基于 ClassVisitor 接口的类来实现class文件的生成和转换
• ClassReader：ClassReader解析一个类的class字节码
• ClassAdapter：ClassAdapter是ClassVisitor的实现类，实现要变化的功能
• ClassWriter：ClassWriter也是ClassVisitro的实现类，可以用来输出变化后的字节码
• ASM给我们提供了 ASMifier 工具来帮助开发，可使用ASMifier工具生成ASM结构来对比