java的class文件在jvm运行时数据区的过程

今天在学习类加载的过程的步骤时感觉还是有点难度的，写个帖子记录一下

jvm运行时数据区图：

本地方法栈(线程私有)

• 登记native方法，在Execution Engine执行时加载本地方法库

程序计数器（线程私有）

• 就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（用来存储指向下一条指令的地址,也即将要执行的指令代码）， 由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。

方法区(线程共享)

• 类的所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，静态变量+常量+类信息(构造方法/接口定义)+运行时常量池都存在方法区中，虽然Java虚拟机规范把方法区描述为堆的一个逻辑部分，但是它却有一个别名叫做 Non-Heap（非堆），目的应该是与 Java 堆区分开来。

Java（虚拟）栈（线程私有）

• Java线程执行方法的内存模型，一个线程对应一个栈，每个方法在执行的同时都会创建一个栈帧（用于存储局部变量表，操作数栈，动态链接，方法出口等信息）不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就释放，生命周期和线程一致

局部变量表

• 局部变量表是变量值的存储空间，用于存放方法参数和方法内部定义的局部变量。在java编译成class文件的时候，就在方法的Code属性的max_locals数据项中确定该方法需要分配的最大局部变量表的容量。
• 局部变量表的容量以变量槽（Slot）为最小单位，32位虚拟机中一个Slot可以存放32位（4 字节）以内的数据类型（ boolean、byte、char、short、int、float、reference和returnAddress八种）
• 对于64位长度的数据类型（long，double），虚拟机会以高位对齐方式为其分配两个连续的Slot空间，也就是相当于把一次long和double数据类型读写分割成为两次32位读写。
• reference类型虚拟机规范没有明确说明它的长度，但一般来说，虚拟机实现至少都应当能从此引用中直接或者间接地查找到对象在Java堆中的起始地址索引和方法区中的对象类型数据。
• Slot是可以重用的，当Slot中的变量超出了作用域，那么下一次分配Slot的时候，将会覆盖原来的数据。Slot对对象的引用会影响GC（要是被引用，将不会被回收）。 系统不会为局部变量赋予初始值（实例变量和类变量都会被赋予初始值）。也就是说不存在类变量那样的准备阶段。
• 系统不会为局部变量赋予初始值（实例变量和类变量都会被赋予初始值）。也就是说不存在类变量那样的准备阶段。

操作数栈

• 操作数栈和局部变量表一样，在编译时期就已经确定了该方法所需要分配的局部变量表的最大容量。
• 操作数栈的每一个元素可用是任意的Java数据类型，包括long和double。32位数据类型所占的栈容量为1，64位数据类型占用的栈容量为2。
• 当一个方法刚刚开始执行的时候，这个方法的操作数栈是空的，在方法执行的过程中，会有各种字节码指令往操作数栈中写入和提取内容，也就是出栈 / 入栈操作（例如：在做算术运算的时候是通过操作数栈来进行的，又或者在调用其它方法的时候是通过操作数栈来进行参数传递的）。
• 在概念模型里，栈帧之间是应该是相互独立的，不过大多数虚拟机都会做一些优化处理，使局部变量表和操作数栈之间有部分重叠，这样在进行方法调用的时候可以直接共用参数，而不需要做额外的参数复制等工作。

动态连接

• 每个栈帧都包含一个指向运行时常量池中该栈帧所属方法的引用，Class文件的常量池中存有大量的符号引用，字节码中的方法调用指令就以常量池中方法的符号引用为参数。这些符号引用一部分会在类加载阶段或者第一次使用的时候就转化为直接引用（静态方法，私有方法等），这种转化称为静态解析，另一部分将在每一次运行期间转化为直接引用，这部分称为动态连接。由于篇幅有限这里不再继续讨论解析与分派的过程，这里只需要知道静态解析与动态连接的区别就好。

方法返回地址

• 当一个方法开始执行后，只有两种方式可以退出这个方法:
  执行引擎遇到任意一个方法返回的字节码指令:传递给上层的方法调用者，是否有返回值和返回值类型将根据遇到何种方法来返回指令决定，这种退出的方法称为正常完成出口。
  方法执行过程中遇到异常： 无论是java虚拟机内部产生的异常还是代码中throw出的异常，只要在本方法的异常表中没有搜索到匹配的异常处理器，就会导致方法退出，这种退出的方式称为异常完成出口，一个方法若使用该方式退出，是不会给上层调用者任何返回值的。无论使用那种方式退出方法，都要返回到方法被调用的位置，程序才能继续执行。方法返回时可能会在栈帧中保存一些信息，用来恢复上层方法的执行状态。一般方法正常退出的时候，调用者的pc计数器的值可以作为返回地址，帧栈中很有可能会保存这个计数器的值作为返回地址。方法退出的过程就是栈帧在虚拟机栈上的出栈过程，因此退出时的操作可能有：恢复上层方法的局部变量表和操作数栈，把返回值压入调用者的操作数栈每条整pc计数器的值指向调用该方法的后一条指令。

新建App类，编写方法，代码如下

package com.example.demo.loader;


/**
 * java指令
 *
 * @author: Czw
 * @create: 2020-10-31 11:47
 **/
public class App {

    public int add(){
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c =(a+b)*100;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        App app =new App();
        int result = app.add();
        System.out.println(result);
    }
}

使用javap指令到target目录下将App.class文件生成jvm的指令集

javap -c App.class >App.txt

查看App.txt的内容，即class文件对应的指令集

Compiled from "App.java"
public class com.example.demo.loader.App {
  public com.example.demo.loader.App();
    Code:
       0: aload_0
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return

  public int add();
    Code:
       0: iconst_1
       1: istore_1
       2: iconst_2
       3: istore_2
       4: iload_1
       5: iload_2
       6: iadd
       7: bipush        100
       9: imul
      10: istore_3
      11: iload_3
      12: ireturn

  public static void main(java.lang.String[]);
    Code:
       0: new           #2                  // class com/example/demo/loader/App
       3: dup
       4: invokespecial #3                  // Method "<init>":()V
       7: astore_1
       8: aload_1
       9: invokevirtual #4                  // Method add:()I
      12: istore_2
      13: getstatic     #5                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
      16: iload_2
      17: invokevirtual #6                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
      20: return
}

具体的指令集含义可以查看JVM常用指令集对应

栈和局部变量操作

将常量压入栈的指令

aconst_null 将null对象引用压入栈

iconst_m1 将int类型常量-1压入栈

iconst_0 将int类型常量0压入栈

iconst_1 将int类型常量1压入栈

iconst_2 将int类型常量2压入栈

iconst_3 将int类型常量3压入栈

iconst_4 将int类型常量4压入栈

iconst_5 将int类型常量5压入栈

lconst_0 将long类型常量0压入栈

lconst_1 将long类型常量1压入栈

fconst_0 将float类型常量0压入栈

fconst_1 将float类型常量1压入栈

dconst_0 将double类型常量0压入栈

dconst_1 将double类型常量1压入栈

bipush 将一个8位带符号整数压入栈

sipush 将16位带符号整数压入栈

ldc 把常量池中的项压入栈

ldc_w 把常量池中的项压入栈（使用宽索引）

ldc2_w 把常量池中long类型或者double类型的项压入栈（使用宽索引）

从栈中的局部变量中装载值的指令

iload 从局部变量中装载int类型值

lload 从局部变量中装载long类型值

fload 从局部变量中装载float类型值

dload 从局部变量中装载double类型值

aload 从局部变量中装载引用类型值（refernce）

iload_0 从局部变量0中装载int类型值

iload_1 从局部变量1中装载int类型值

iload_2 从局部变量2中装载int类型值

iload_3 从局部变量3中装载int类型值

lload_0 从局部变量0中装载long类型值

lload_1 从局部变量1中装载long类型值

lload_2 从局部变量2中装载long类型值

lload_3 从局部变量3中装载long类型值

fload_0 从局部变量0中装载float类型值

fload_1 从局部变量1中装载float类型值

fload_2 从局部变量2中装载float类型值

fload_3 从局部变量3中装载float类型值

dload_0 从局部变量0中装载double类型值

dload_1 从局部变量1中装载double类型值

dload_2 从局部变量2中装载double类型值

dload_3 从局部变量3中装载double类型值

aload_0 从局部变量0中装载引用类型值

aload_1 从局部变量1中装载引用类型值

aload_2 从局部变量2中装载引用类型值

aload_3 从局部变量3中装载引用类型值

iaload 从数组中装载int类型值

laload 从数组中装载long类型值

faload 从数组中装载float类型值

daload 从数组中装载double类型值

aaload 从数组中装载引用类型值

baload 从数组中装载byte类型或boolean类型值

caload 从数组中装载char类型值

saload 从数组中装载short类型值

将栈中的值存入局部变量的指令

istore 将int类型值存入局部变量

lstore 将long类型值存入局部变量

fstore 将float类型值存入局部变量

dstore 将double类型值存入局部变量

astore 将将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量

istore_0 将int类型值存入局部变量0

istore_1 将int类型值存入局部变量1

istore_2 将int类型值存入局部变量2

istore_3 将int类型值存入局部变量3

lstore_0 将long类型值存入局部变量0

lstore_1 将long类型值存入局部变量1

lstore_2 将long类型值存入局部变量2

lstore_3 将long类型值存入局部变量3

fstore_0 将float类型值存入局部变量0

fstore_1 将float类型值存入局部变量1

fstore_2 将float类型值存入局部变量2

fstore_3 将float类型值存入局部变量3

dstore_0 将double类型值存入局部变量0

dstore_1 将double类型值存入局部变量1

dstore_2 将double类型值存入局部变量2

dstore_3 将double类型值存入局部变量3

astore_0 将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量0

astore_1 将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量1

astore_2 将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量2

astore_3 将引用类型或returnAddress类型值存入局部变量3

iastore 将int类型值存入数组中

lastore 将long类型值存入数组中

fastore 将float类型值存入数组中

dastore 将double类型值存入数组中

aastore 将引用类型值存入数组中

bastore 将byte类型或者boolean类型值存入数组中

castore 将char类型值存入数组中

sastore 将short类型值存入数组中

wide指令

wide 使用附加字节扩展局部变量索引

通用(无类型）栈操作

nop 不做任何操作

pop 弹出栈顶端一个字长的内容

pop2 弹出栈顶端两个字长的内容

dup 复制栈顶部一个字长内容

dup_x1 复制栈顶部一个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的两个字长的内容压入栈

dup_x2 复制栈顶部一个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的三个字长的内容压入栈

dup2 复制栈顶部两个字长内容

dup2_x1 复制栈顶部两个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的三个字长的内容压入栈

dup2_x2 复制栈顶部两个字长的内容，然后将复制内容及原来弹出的四个字长的内容压入栈

swap 交换栈顶部两个字长内容

类型转换

i2l 把int类型的数据转化为long类型

i2f 把int类型的数据转化为float类型

i2d 把int类型的数据转化为double类型

l2i 把long类型的数据转化为int类型

l2f 把long类型的数据转化为float类型

l2d 把long类型的数据转化为double类型

f2i 把float类型的数据转化为int类型

f2l 把float类型的数据转化为long类型

f2d 把float类型的数据转化为double类型

d2i 把double类型的数据转化为int类型

d2l 把double类型的数据转化为long类型

d2f 把double类型的数据转化为float类型

i2b 把int类型的数据转化为byte类型

i2c 把int类型的数据转化为char类型

i2s 把int类型的数据转化为short类型

整数运算

iadd 执行int类型的加法

ladd 执行long类型的加法

isub 执行int类型的减法

lsub 执行long类型的减法

imul 执行int类型的乘法

lmul 执行long类型的乘法

idiv 执行int类型的除法

ldiv 执行long类型的除法

irem 计算int类型除法的余数

lrem 计算long类型除法的余数

ineg 对一个int类型值进行取反操作

lneg 对一个long类型值进行取反操作

iinc 把一个常量值加到一个int类型的局部变量上

逻辑运算

移位操作

ishl 执行int类型的向左移位操作

lshl 执行long类型的向左移位操作

ishr 执行int类型的向右移位操作

lshr 执行long类型的向右移位操作

iushr 执行int类型的向右逻辑移位操作

lushr 执行long类型的向右逻辑移位操作

按位布尔运算

iand 对int类型值进行“逻辑与”操作

land 对long类型值进行“逻辑与”操作

ior 对int类型值进行“逻辑或”操作

lor 对long类型值进行“逻辑或”操作

ixor 对int类型值进行“逻辑异或”操作

lxor 对long类型值进行“逻辑异或”操作

浮点运算

fadd 执行float类型的加法

dadd 执行double类型的加法

fsub 执行float类型的减法

dsub 执行double类型的减法

fmul 执行float类型的乘法

dmul 执行double类型的乘法

fdiv 执行float类型的除法

ddiv 执行double类型的除法

frem 计算float类型除法的余数

drem 计算double类型除法的余数

fneg 将一个float类型的数值取反

dneg 将一个double类型的数值取反

对象和数组

对象操作指令

new 创建一个新对象

checkcast 确定对象为所给定的类型

getfield 从对象中获取字段

putfield 设置对象中字段的值

getstatic 从类中获取静态字段

putstatic 设置类中静态字段的值

instanceof 判断对象是否为给定的类型

数组操作指令

newarray 分配数据成员类型为基本上数据类型的新数组

anewarray 分配数据成员类型为引用类型的新数组

arraylength 获取数组长度

multianewarray 分配新的多维数组

控制流

条件分支指令

ifeq 如果等于0，则跳转

ifne 如果不等于0，则跳转

iflt 如果小于0，则跳转

ifge 如果大于等于0，则跳转

ifgt 如果大于0，则跳转

ifle 如果小于等于0，则跳转

if_icmpcq 如果两个int值相等，则跳转

if_icmpne 如果两个int类型值不相等，则跳转

if_icmplt 如果一个int类型值小于另外一个int类型值，则跳转

if_icmpge 如果一个int类型值大于或者等于另外一个int类型值，则跳转

if_icmpgt 如果一个int类型值大于另外一个int类型值，则跳转

if_icmple 如果一个int类型值小于或者等于另外一个int类型值，则跳转

ifnull 如果等于null，则跳转

ifnonnull 如果不等于null，则跳转

if_acmpeq 如果两个对象引用相等，则跳转

if_acmpnc 如果两个对象引用不相等，则跳转

比较指令

lcmp 比较long类型值

fcmpl 比较float类型值（当遇到NaN时，返回-1）

fcmpg 比较float类型值（当遇到NaN时，返回1）

dcmpl 比较double类型值（当遇到NaN时，返回-1）

dcmpg 比较double类型值（当遇到NaN时，返回1）

无条件转移指令

goto 无条件跳转

goto_w 无条件跳转（宽索引）

表跳转指令

tableswitch 通过索引访问跳转表，并跳转

lookupswitch 通过键值匹配访问跳转表，并执行跳转操作

异常

athrow 抛出异常或错误

finally子句

jsr 跳转到子例程

jsr_w 跳转到子例程（宽索引）

rct 从子例程返回

方法调用与返回

方法调用指令

invokcvirtual 运行时按照对象的类来调用实例方法

invokespecial 根据编译时类型来调用实例方法

invokestatic 调用类（静态）方法

invokcinterface 调用接口方法

方法返回指令

ireturn 从方法中返回int类型的数据

lreturn 从方法中返回long类型的数据

freturn 从方法中返回float类型的数据

dreturn 从方法中返回double类型的数据

areturn 从方法中返回引用类型的数据

return 从方法中返回，返回值为void

线程同步

montiorenter 进入并获取对象监视器

monitorexit 释放并退出对象监视器

JVM指令助记符

变量到操作数栈：iload,iload_,lload,lload_,fload,fload_,dload,dload_,aload,aload_

操作数栈到变量：istore,istore_,lstore,lstore_,fstore,fstore_,dstore,dstor_,astore,astore_

常数到操作数栈：bipush,sipush,ldc,ldc_w,ldc2_w,aconst_null,iconst_ml,iconst_,lconst_,fconst_,dconst_

加：iadd,ladd,fadd,dadd

减：isub,lsub,fsub,dsub

乘：imul,lmul,fmul,dmul

除：idiv,ldiv,fdiv,ddiv

余数：irem,lrem,frem,drem

取负：ineg,lneg,fneg,dneg

移位：ishl,lshr,iushr,lshl,lshr,lushr

按位或：ior,lor

按位与：iand,land

按位异或：ixor,lxor

类型转换：i2l,i2f,i2d,l2f,l2d,f2d(放宽数值转换)

i2b,i2c,i2s,l2i,f2i,f2l,d2i,d2l,d2f(缩窄数值转换)

创建类实便：new

创建新数组：newarray,anewarray,multianwarray

访问类的域和类实例域：getfield,putfield,getstatic,putstatic

把数据装载到操作数栈：baload,caload,saload,iaload,laload,faload,daload,aaload

从操作数栈存存储到数组：bastore,castore,sastore,iastore,lastore,fastore,dastore,aastore

获取数组长度：arraylength

检相类实例或数组属性：instanceof,checkcast

操作数栈管理：pop,pop2,dup,dup2,dup_xl,dup2_xl,dup_x2,dup2_x2,swap

有条件转移：ifeq,iflt,ifle,ifne,ifgt,ifge,ifnull,ifnonnull,if_icmpeq,if_icmpene,

if_icmplt,if_icmpgt,if_icmple,if_icmpge,if_acmpeq,if_acmpne,lcmp,fcmpl

fcmpg,dcmpl,dcmpg

复合条件转移：tableswitch,lookupswitch

无条件转移：goto,goto_w,jsr,jsr_w,ret

调度对象的实便方法：invokevirtual

调用由接口实现的方法：invokeinterface

调用需要特殊处理的实例方法：invokespecial

调用命名类中的静态方法：invokestatic

方法返回：ireturn,lreturn,freturn,dreturn,areturn,return

异常：athrow

finally关键字的实现使用：jsr,jsr_w,ret

整个代码的执行过程图如下所示

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