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（JVM）带你一起研究JVM的语法糖功能和 JVM的即时编译器

news 2025/6/8 8:20:46

1. 语法糖

所谓的语法糖，其实就是指java编译器把*.java源码编译为*.class字节码的过程中，自动生成和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是java编译器给我们第一个额外福利

以下代码的分析，借助了javap工具，idea的反编译功能，idea插件jclasslib等工具。
另外，编译器转换的结果直接就是class字节码，只是为了便于阅读，给出了几乎等价的java源码方式，并不是编译器还会转换出中间的java源码。

1.1 默认构造器

public class Candy1{}

编译成class后的代码

public class Candy1{// 这个无参构造是编译器帮助我们加上的public Candy1(){super();// 即父类Object的无参构造方法，即调用 java/lang/Object."<init>":()V}
}

1.2 自动拆装箱

这个特性是JDK5开始加入的，代码片段1：

public class Candy2{public static void main(String[] args){Integer x = 1;int y = x;}
}

这段代码在JDK5之前是无法编译通过的，必须改写为如下：

public class Candy2{public static void main(String[] args){Integer x = Integer.valueOf(1);int y = x.intValue();}
}

显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是包装类型），因此这些转换的事情在JDK5以后都由编译器在编译阶段完成。

1.3 泛型集合取值

泛型也是在JDK5开始加入的特性，但java在编译泛型代码会执行泛型擦除的动作，即泛型信息在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当作了Object类型来处理：

public class demo4 {public static void main(String[] args) {ArrayList<Integer> list = new ArrayList<>();list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e)Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);}
}

所以在取值时，编译器真正生成字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

// 需要将Object转为Integer类型
Integer x = (Integer)list.get(0);

如果前面的x变量类型修改为int基本类型那么最终生成的字节码是：

// 需要将Object转为Integer，并执行拆箱操作
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

泛型擦除，在字节码中，所有的对象类型都被转为了Object了

所幸，这些麻烦事不用我们自己做

擦除的是字节码上的泛型信息，可以看到LocalVariableTypeTable仍然保留了方法参数泛型的信息

Classfile /E:/Java/学习案例/JVM/JVM/src/test/java/Class/demo4.classLast modified 2024年10月29日; size 478 bytesMD5 checksum 4d2758e590977925b85935c072dc7242Compiled from "demo4.java"
public class Class.demo4minor version: 0major version: 55flags: (0x0021) ACC_PUBLIC, ACC_SUPERthis_class: #8                          // Class/demo4super_class: #9                         // java/lang/Objectinterfaces: 0, fields: 0, methods: 2, attributes: 1
Constant pool:#1 = Methodref          #9.#18         // java/lang/Object."<init>":()V#2 = Class              #19            // java/util/ArrayList#3 = Methodref          #2.#18         // java/util/ArrayList."<init>":()V#4 = Methodref          #7.#20         // java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;#5 = Methodref          #2.#21         // java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z#6 = Methodref          #2.#22         // java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;#7 = Class              #23            // java/lang/Integer#8 = Class              #24            // Class/demo4#9 = Class              #25            // java/lang/Object#10 = Utf8               <init>#11 = Utf8               ()V#12 = Utf8               Code#13 = Utf8               LineNumberTable#14 = Utf8               main#15 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V#16 = Utf8               SourceFile#17 = Utf8               demo4.java#18 = NameAndType        #10:#11        // "<init>":()V#19 = Utf8               java/util/ArrayList#20 = NameAndType        #26:#27        // valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;#21 = NameAndType        #28:#29        // add:(Ljava/lang/Object;)Z#22 = NameAndType        #30:#31        // get:(I)Ljava/lang/Object;#23 = Utf8               java/lang/Integer#24 = Utf8               Class/demo4#25 = Utf8               java/lang/Object#26 = Utf8               valueOf#27 = Utf8               (I)Ljava/lang/Integer;#28 = Utf8               add#29 = Utf8               (Ljava/lang/Object;)Z#30 = Utf8               get#31 = Utf8               (I)Ljava/lang/Object;
{public Class.demo4();descriptor: ()Vflags: (0x0001) ACC_PUBLICCode:stack=1, locals=1, args_size=10: aload_01: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnLineNumberTable:line 5: 0public static void main(java.lang.String[]);descriptor: ([Ljava/lang/String;)Vflags: (0x0009) ACC_PUBLIC, ACC_STATICCode:stack=2, locals=3, args_size=10: new           #2                  // class java/util/ArrayList3: dup4: invokespecial #3                  // Method java/util/ArrayList."<init>":()V7: astore_18: aload_19: bipush        1011: invokestatic  #4                  // Method java/lang/Integer.valueOf:(I)Ljava/lang/Integer;14: invokevirtual #5                  // Method java/util/ArrayList.add:(Ljava/lang/Object;)Z17: pop18: aload_119: iconst_020: invokevirtual #6                  // Method java/util/ArrayList.get:(I)Ljava/lang/Object;23: checkcast     #7                  // class java/lang/Integer26: astore_227: returnLineNumberTable:line 7: 0line 8: 8line 9: 18line 10: 27
}
SourceFile: "demo4.java"

1.4 可变参数

可变参数也是JDK5开始加入的新特性：

public class demo5 {public static void foo(String... args){String[] arr = args;// 直接赋值System.out.println(arr);}public static void main(String[] args) {foo("hello","world");}
}

可变参数String… args 其实是一个String[] args, 从代码的赋值语句中就可以看出来

同样java编译器会在编译期间就将上述代码转为：

public class demo5 {public static void foo(String... args){String[] arr = args;// 直接赋值System.out.println(arr);}public static void main(String[] args) {foo(new String[]{"hello","world"});}
}

如果调用了foo()则等价代码为foo(new String[]{})，创建了一个空的数组，而不会传递null进去

1.5 foreach循环

仍是jdk5开始引入的语法糖，数组的循环：

public class demo6 {public static void main(String[] args) {int[] array = {1,2,4,5}; // 数组赋值的简化写法，也算是语法糖for (int i : array) {System.out.println(i);}}
}

编译器编译后，转换为：

public class demo6 {public static void main(String[] args) {int[] array = new int[]{1,2,4,5};for (int i=0;i<array.length;++i) {int x = array[i]; // x 就是自己定义接受的变量 i System.out.println(x);}}
}

集合的循环：

public void test1_List(int[] args){List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6);for (Integer i : list) {System.out.println(i);}
}

实际被编译器转换为迭代器的调用：

public class demo6 {public static void main(String[] args) {}public void test1_List(int[] args){List<Integer> list = Arrays.asList(1,2,3,4,5,6);Iterator list = list.iterator(); // 获取迭代器while(iter.hasNext()){// 对迭代器中包含的对象进行循环Integer e = (Integer)iter.next();// Object类型转为Integer类型System.out.println(e);}}
}

foreach循环写法，能够配合数组，以及所有实现了iterable接口的集合类一起使用，其中Iterable用来获取集合的迭代器（Iterator）

1.6 switch字符串

从JDK7开始，switch可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

package Class;public class demo7 {public static void main(String[] args) {}public static void cc(String str){switch (str){case "hello":{System.out.println("h");break;}case "world":{System.out.println("w");break;}}}
}

switch配合String和枚举使用时，变量不能为null，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清除

会被编译器转换为：

public static void cc(String str){byte x = -1;switch (str.hashCode()){case 99162322: // hello 的哈希值if (str.equals("hello")){x = 0;}break;case 113318802: // world的哈希值if (str.equals("world")){x=1;}break;}switch (x){case 0:System.out.println("h");break;case 1:System.out.println("w");}
}

可以看到执行了两边switch，第一遍根据字符串的hashCode和equals将字符串的转换为相应byte类型，第二遍才是利用byte执行进行比较。

为什么第一遍时必须即比较hashCode，又利用equals比较呢？hashCode是为了提高效率，减少可能的比较；而equals是为了防止hashCode冲突，例如BM和C.这两个字符串的hashCode值都是2123。

1.7 switch枚举

switch枚举的例子，原始代码：

enum Sex{MALE,FEMALE
}

public class demo8 {public static void foo(Sex sex){switch (sex){case MALE:System.out.println("男");break;case FEMALE:System.out.println("女");break;}}
}

/*** 定义一个合成类（仅JVM使用，对我们不可见）* 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系* 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始* 即 MALE 的 ordinal()=0,FEMALE 的 ordinal() = 1*/
static class $MAP{static int[] map = new int[2];static {map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;}
}
public static void foo(Sex sex){int x = $MAP.map[sex.ordinal()];switch (x){case 1:System.out.println("男");break;case 2:System.out.println("女");break;}
}

1.8 枚举类

JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例：

enum Sex{MALE,FEMALE
}

转换后的代码：

public final class Sex extends Enum<Sex>{public static final Sex MALE;public static final Sex FEMALE;private static final Sex[] $VALUES;static {MALE = new Sex("MALE",0);FEMALE = new Sex("FEMALE",1);$VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};}private Sex(String name,int ordinal){super(name,ordinal);}public static Sex[] values(){return $VALUES.clone();}public static Sex ValueOf(String name){return Enum.valueOf(Sex.class,name);}
}

本质上枚举还是创建了一个对象，只不过继承了一个枚举类型的对象

枚举中的值是对象中的成员变量

1.9 try-with-resources

JDK7开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法try-with-resources:

try(资源变量=创建资源对象){}catch(){}

其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如：InputStream、OutputStream、Connection、Statement、ResultSet 等接口都实现了AutoCloseable，使用try-with-resources可以不用谢finally语句块，编译器会帮助生成关闭资源代码

public class demo9{public static void main(String[] args){try(InputStream is = new FileInputStream("./1.text")){System.out.println(is);}catch(IOException e){e.printStackTrace();}}
}

转换为：

public class demo10 {public static void main(String[] args) {try{FileInputStream is = new FileInputStream("./1.text");Throwable t = null;try{System.out.println(is);}catch (Throwable e1){t = e1;throw e1;// t 就是代码出现的异常，}finally {if (is!=null){if (t!=null){try {is.close();}catch (Throwable e2){// 如果close出现异常，那么会作为被压制异常添加t.addSuppressed(e2);}}else {// 当代码并未出现异常，close出现的异常就是最后catch块中的eis.close();}}}}catch (IOException e){e.printStackTrace();}}
}

为什么要设计一个addSuppresed(Throwable e)（添加被压制异常）的方法呢？

是为了防止异常信息的丢失

1.10 方法重写时的桥接方法

都知道，方法重写时对放回值分为两种情况：

父子类的返回值完全一致
子类返回值可以是父类返回值的子类

class A{public Number m(){return 1;}
}
class B extends A{// 子类m 方法返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类@Overridepublic Integer m(){return 2;}
}

对于子类，编译器会做如下处理

class B extends A{public Integer m(){return 2;}// 此方法才是真正重写了父类public Number m() 方法public synthetic bridge Number m(){// 调用 public Integer m()return m();}
}

其中桥接方法比较特殊，仅对java虚拟机可见，并且与原来的public Integer m() 没有命名冲突，可以用下面的反射代码来验证：

for(Method m: B.class.getDeclaredMethods()){System.out.println(m);
}

输出：

public java.lang.Integer 方法地址;
public java.lang.Number 方法地址;

1.11 匿名内部类

public class demo12{public static void test(final int x){Runnable runnable = new Runnable(){@Overridepublic void run(){System.out.println("ok: "+x);}};}
}

转换后

final class demo12$1 implements Runnable{int val$x;demo12$1(int x){this.val$x=x;}public void run(){System.out.println("ok: " + this.val$x);}
}

在编译后，会创建一个新的类，并实现Runnable接口，以此来实现run方法

在创建 demo12$1 对象时，将x的值赋值给 demo$1 对象的val$x属性，x不应该再发生改变，如果改变了那么val$x属性没有机会再跟着一起变化，这解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须时final的原因

2. 即时编译

2.1 分层编译

（TieredCompliation）

例：

public static void main(String[] args) {for (int i = 0; i < 200; i++) {long start = System.nanoTime();for (int j = 0; j < 1000; j++) {new Object();}long end = System.nanoTime();System.out.println("触发数："+i+",耗时："+(end-start));}
}

JVM将执行状态分成 5 个层次：

解释执行（Interpreter）
使用c1即时编译执行（不带 profiling）
使用c1即时编译执行（带基本的 profiling）
使用c1即时编译执行（带完全的profiling）
使用c2即时编译执行

profiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如：

方法的调用次数
循环的回边次数

这种优化手段称之为 逃逸分析 ，发现新建的对象是否可以逃逸，可以使用如下选项关闭逃逸分析

-XX: -DoEscapeAnalysis

即时编译器（JIT）与解释器的区别

解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
JIT是将一些字节码编译为机器码，并存入Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码

对于占据大部分的不常用代码，我们无需耗费事件将其编译成机器码，而是采用解释执行的方式运行。

另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2 ，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由来，优化之）

2.2 方法内联

/*** 方法内联*/
@Test
public void test1(){int x = 0;for (int i = 0; i < 500; i++) {long start = System.nanoTime();for (int j = 0; j < 1000; j++) {x = square(9);}long end = System.nanoTime();System.out.println("触发数："+i+",耗时："+(end-start)+",\t 相乘数值："+x);}
}
private static int square(final int a){return a * a;
}

如果发现square是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联。

内联操作：把方法内代码拷贝、粘贴到调用者的位置

这种方法可以大大降低对方法的解析速度

2.3 反射优化

public class demo2 {public static void foo(){System.out.println("foo...");}public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, IOException, InvocationTargetException, IllegalAccessException {Method foo = demo2.class.getMethod("foo");for (int i =0; i<=16;i++){System.out.printf("%d\t",i);// 调用反射foo.invoke(null);}System.in.read();}
}

在进行反射时，底层代码会进行判断，当调用超过15次时，JVM会直接使用类进行调用

private static int     inflationThreshold = 15;static int inflationThreshold() {return inflationThreshold;
}public Object invoke(Object obj, Object[] args)throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException
{// 从工厂中拿取反射次数阈值（默认15）if (++numInvocations > ReflectionFactory.inflationThreshold()&& !method.getDeclaringClass().isHidden()&& generated == 0&& U.compareAndSetInt(this, GENERATED_OFFSET, 0, 1)) {try {MethodAccessorImpl acc = (MethodAccessorImpl)new MethodAccessorGenerator(). // 方法访问器生成器 在这里就会直接生成调用方法generateMethod(method.getDeclaringClass(),method.getName(),method.getParameterTypes(),method.getReturnType(),method.getExceptionTypes(),method.getModifiers());parent.setDelegate(acc);} catch (Throwable t) {// Throwable happens in generateMethod, restore generated to 0generated = 0;throw t;}}return invoke0(method, obj, args);
}

故而，在超出反射阈值后，JVM会给你使用使用类调用方法

demo2.foo(); // 就是这行代码

通过查看 ReflectionFactory源码可知：

sun.reflect.noInflation 可以用来禁用膨胀（直接生成GeneratedMethodAccessor1，但首次生成比较耗时，如果仅反射调用以此，不划算）
sun.reflect.inflationThreshold 可以修改膨胀阈值

3. 😊👉前篇知识点

深入JAVA底层 JVM（Java 虚拟机）！带你认识JVM、程序计数器、JVM栈和方法栈还有堆内存！
在JVM中，类是如何被加载的呢？带你认识类加载的一整套流程！

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