JVM - 认识JVM规范

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

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
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

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