深入理解JVM运行原理:从内存布局到执行流程的全面解析

1、JVM内存模型

2、认识Java字节码，了解JVM如何运行的

Java AI.class字节码:

public AI();：这是AI类的构造方法。

Code:：

0: aload_0：将当前对象引用（this）加载到操作数栈顶。

1: invokespecial #1：调用父类（假设是Object类）的构造方法。

4: aload_0：再次将当前对象引用加载到操作数栈顶。

5: new #2：创建一个新的Person对象。

8: dup：复制新创建的Person对象的引用。

9: invokespecial #3：调用Person类的构造方法。

12: putfield #4：将新创建的Person对象赋值给当前对象的person字段。

15: return：返回，结束构造方法。

public static void methodA();：这是一个静态方法，没有参数，返回类型为void。

Code:：

0: iconst_1：将整数常量1压入操作数栈。

1: istore_0：将这个整数存储到局部变量表的第0个位置。

2: getstatic #5：获取静态字段System.out的引用。

5: ldc #6：将字符串常量"methodA"压入操作数栈。

7: invokevirtual #7：调用PrintStream.println(String)方法，输出字符串"methodA"。

10: return：返回，结束方法。

public void methodB();：这是一个实例方法，没有参数，返回类型为void。

Code:：

0: iconst_2：将整数常量2压入操作数栈。

1: istore_1：将这个整数存储到局部变量表的第1个位置。

2: getstatic #5：获取静态字段System.out的引用。

5: ldc #8：将字符串常量"methodB"压入操作数栈。

7: invokevirtual #7：调用PrintStream.println(String)方法，输出字符串"methodB"。

10: aload_0：将当前对象引用加载到操作数栈顶。

11: invokevirtual #9：调用实例方法methodC()。

14: return：返回，结束方法。

public void methodC();：这是另一个实例方法，没有参数，返回类型为void。

Code:：

方法与上面的methodB()相同，不解释了。

public static void main(java.lang.String[]);：主方法，程序的入口点。

Code:：

0: new #10：创建一个新的AI对象。

3: dup：复制新创建的对象的引用。

4: invokespecial #11：调用AI类的构造方法。

7: astore_1：将新创建的对象的引用存储到局部变量表的第1个位置。

8: invokestatic #12：调用静态方法methodA()。

11: aload_1：将局部变量表第1个位置的引用（即新创建的AI对象）加载到操作数栈顶。

12: invokevirtual #13：调用实例方法methodB()。

15: return：返回，结束方法。

3、加载及代码执行流程

1、类加载和链接：

• 当Java程序启动时，JVM首先通过类加载器（ClassLoader）加载类文件，即.class文件。类加载器从文件系统、网络或其他来源读取类的字节码，并将其加载到JVM中。
• 在加载之后，JVM会进行链接操作，包括验证（检查字节码的正确性）、准备（为静态字段分配内存并设置默认值）和解析（将符号引用转换为直接引用）。

2、创建对象和执行构造方法：

• 在main方法中，首先通过new指令创建了一个AI类的实例。这个指令会在Java堆上分配内存空间，并调用AI类的构造方法初始化对象。
• 构造方法的字节码中，首先使用aload_0将当前对象引用（this）加载到操作数栈顶，然后调用父类（Object类）的构造方法进行初始化。
• 接下来，使用new指令创建了一个Person类的实例，并调用其构造方法进行初始化。然后，使用putfield指令将新创建的Person对象赋值给当前对象的person字段。

3、方法调用和执行：

• 在main方法中，通过invokestatic指令调用了静态方法methodA。静态方法的调用不需要对象引用，直接通过类名和方法名进行调用。
• methodA方法中，首先将整数常量1压入操作数栈，然后使用istore_0指令将其存储到局部变量表中索引为0的位置。接着，通过getstatic指令获取静态字段System.out的引用，并使用ldc指令将字符串常量"methodA"压入操作数栈。最后，通过invokevirtual指令调用PrintStream.println方法输出字符串"methodA"。
• 在main方法中，通过invokevirtual指令调用了实例方法methodB。实例方法的调用需要使用对象引用。在该指令之前，使用aload_1指令将之前创建的AI对象引用加载到操作数栈顶。
• methodB方法与methodA类似，只是输出的字符串不同。

4、返回和退出：

• 每个方法执行完毕后，都会使用return指令返回。对于返回类型为void的方法，直接使用return指令；对于返回类型为非void的方法，会将返回值压入操作数栈，然后使用相应的返回指令（如ireturn、areturn等）。
• 当程序执行完毕或遇到异常情况时，JVM会退出并释放相关资源。

4、了解代码是如何被类加载器处理的？

类加载器的主要任务是将.class文件从文件系统或其他来源加载到内存中，并将其转换为Java Class对象。这个过程涉及到几个关键步骤，包括加载、链接和初始化。

类加载（Loading）：
类加载器首先通过读取.class文件来加载类的字节码。这个.class文件包含了类的完整结构和元数据。当JVM启动时，它会使用系统类加载器（System ClassLoader）来加载AI类。系统类加载器会查找AI.class文件，并将其加载到内存中。

链接（Linking）：
链接阶段包括验证、准备和解析三个步骤。

1、验证（Verification）：验证阶段确保加载的类文件是正确和安全的。JVM会检查字节码是否符合Java虚拟机规范，并执行一些安全性检查，以防止恶意代码的执行。在代码中，AI类的字节码会经过验证，以确保其有效性和安全性。

2、准备（Preparation）：准备阶段为类的静态变量分配内存，并将它们初始化为默认值。这意味着在这个阶段，JVM会为AI类的静态变量分配内存空间，并将其初始化为相应的默认值。例如，对于static int a，它会被初始化为0。

3、解析（Resolution）：解析阶段将符号引用转换为直接引用。符号引用是代码中使用的类、方法或字段的名称，而直接引用是与目标相关的内存地址或其他直接引用信息。在代码中，解析过程会将AI类中引用的其他类或方法的符号引用转换为相应的直接引用，以便在运行时正确访问它们。

初始化（Initialization）：
初始化阶段是执行类的<clinit>()方法的过程。<clinit>()方法是由编译器自动生成的，它包含了类中所有静态变量的赋值动作和静态代码块的内容。一旦<clinit>()方法执行完成，类就被认为已经初始化完成。

知识点：类加载器主要有三种：引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和系统类加载器（System ClassLoader）。引导类加载器负责加载核心类库，扩展类加载器负责加载Java扩展包，而系统类加载器则负责加载应用程序的类和资源。

类加载器使用双亲委派模型来处理类加载请求。当一个类加载器收到类加载请求时，它首先将请求委派给父类加载器去处理。只有当父类加载器无法处理请求时，才会由当前类加载器来处理。这种模型确保了Java核心类库的稳定性和安全性。