JVM真香系列：Java文件到.Class文件

作者：JAVA互聯搬磚工人 2020-11-17 09:55:48

開發后端

JVM 全稱 Java Virtual Machine，也就是我們耳熟能詳的 Java 虛擬機。它能識別 .class后綴的文件，并且能夠解析它的指令，最終調用操作系統上的函數，完成我們想要的操作。

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什么是JVM

可能有部分小伙伴學習過C++，C++開發出來的程序，編譯成二進制文件后，就可以直接執行了，操作系統是能夠識別的。

但是咱們開的的Java程序就不一樣了，使用javac命令編譯出來的的.class文件之后，操作系統是不能識別的，需要對應JVM去做一個轉換后，操作系統才能識別。

我們為什么不能像 C++ 一樣，直接在操作系統上運行編譯后的二進制文件呢?而非要搞一個處于程序與操作系統中間層的虛擬機呢?

這就是 JVM的過人之處了。大家都知道，Java 是一門抽象程度特別高的語言，提供了自動內存管理等一系列的特性。這些特性直接在操作系統上實現是不太可能的，所以就需要JVM 進行做一系列的轉換。

大家一開始學Java的時候，就知道有個Write Once, Run Everywhere。就是我們編寫了一個java文件經過編譯成.class文件后，可以在各種系統中進行運行。

其實這里是有個前提的，我們需要在對應操作系統中安裝對應的JVM，然后我們的.class文件就能運行了。

比如：Windows操作系統有對應的JDK安裝版本、Linux也有對應的JDK安裝版本等。

認識JDK

Java Development Kit (JDK) 是Sun公司(已被Oracle收購)針對Java開發員的軟件開發工具包。自從Java推出以來，JDK已經成為使用最廣泛的Java SDK(Software development kit)。

經非官方調查，目前JDK8是使用者最多的版本。

JDK14將在4月和7月收到安全更新，然后由9月到期的非LTS版本的JDK 15取代。JDK14包括16項新功能，例如JDK Flight Recorder事件流，模式匹配和開關表達式等特征。

從JDK9之后，Oracle采用了新的發布周期：每6個月發布一個版本，每3年發布一個LTS版本。JDK14是繼JDK9之后發布的第四個版本，該版本為非LTS版本，最新的LTS版本為JDK11。

下面是JDK版本情況

這個混個眼熟就行，隨時關注JDK版本更新和新特性。

官網地址：https://www.oracle.com/java/

關于JDK安裝這里就省略。

JDK、JRE、JVM的關系

上面已經說過JDK和JVM的相關概念，

JRE全程Java Runtime Environment，是運行基于Java語言編寫的程序所不可缺少的運行環境。也是通過它，Java的開發者才得以將自己開發的程序發布到用戶手中，讓用戶使用。

三者到底是什么關系呢?

關于三者關系請看官網

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/index.html

JDK中包含JRE，也包括JDK，而JRE也包括JDK。范圍關系：JDK>JRE>JVM

".java"文件到".class"文件

`javac`命令

編寫一個HelloWorld.java文件

內容就是一個Java入門

public class HelloWorld { 
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println("Hello world"); 
    } 
}

打開CMD，進入當前目錄，使用命令

javac HelloWorld.java

就編譯出HelloWorld.class

編譯過程

這個javac命令過程到底干了些什么呢?

javac背后大致做了這些操作

這個流程

1、詞法分析

讀取源代碼，一個字節一個字節的讀取，找出其中我們定義好的關鍵字(如Java中的if、else、for、while等關鍵詞，識別哪些if是合法的關鍵詞，哪些不是)，這就是詞法分析器進行詞法分析的過程，其結果是從源代碼中找出規范化的Token流。

2、語法分析

通過語法分析器對詞法分析后Token流進行語法分析，這一步檢查這些關鍵字組合再一次是否符合Java語言規范(如在if后面是不是緊跟著一個布爾判斷表達式)，詞法分析的結果是形成一個符合Java語言規范的抽象語法樹。

3、語義分析

通過語義分析器進行語義分析。語音分析主要是將一些難懂的、復雜的語法轉化成更加簡單的語法，結果形成最簡單的語法(如將foreach轉換成for循環，好有注解等)，最后形成一個注解過后的抽象語法樹，這個語法樹更為接近目標語言的語法規則。

4、生成字節碼

通過字節碼生產器生成字節碼，根據經過注解的語法抽象樹生成字節碼，也就是將一個數據結構轉化為另一個數據結構。最后生成我們想要的.class文件。

使用十六進制查看class文件內容

我只用的是Notepad++，選中文本→插件→Converter→ASCII->HEX

class文件的開頭就是

CAFEBABE

想要學習這里的十六進制的字節碼的含義可以參考

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/jvms-4.html

javap查看class文件內容

javap是 Java class文件分解器，可以反編譯(即對javac編譯的文件進行反編譯)，也可以查看java編譯器生成的字節碼。

新建一個User.java源文件，經過javac編譯后，生成User.classs。

package com.tian.demo.test; 
 
public class User { 
    private int age = 22; 
    private String name = "tian"; 
 
    public int addAge() { 
        return age = age + 1; 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
 
    } 
}

使用javap命令

javap -v User.class >log.txt

打開log.txt

Classfile /D:/workspace/new/demo/src/main/java/com/tian/demo/test/User.class 
  Last modified 2020-11-5; size 441 bytes 
  MD5 checksum 2fa72d3f53bd9f138e0bfae82aba67e3 
  Compiled from "User.java" 
public class com.tian.demo.test.User 
  minor version: 0 
  major version: 52 
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER 
Constant pool: 
   #1 = Methodref          #6.#21         // java/lang/Object."<init>":()V 
   #2 = Fieldref           #5.#22         // com/tian/demo/test/User.age:I 
   #3 = String             #23            // tian 
   #4 = Fieldref           #5.#24         // com/tian/demo/test/User.name:Ljava/lang/String; 
   #5 = Class              #25            // com/tian/demo/test/User 
   #6 = Class              #26            // java/lang/Object 
   #7 = Utf8               age 
   #8 = Utf8               I 
   #9 = Utf8               name 
  #10 = Utf8               Ljava/lang/String; 
  #11 = Utf8               <init> 
  #12 = Utf8               ()V 
  #13 = Utf8               Code 
  #14 = Utf8               LineNumberTable 
  #15 = Utf8               addAge 
  #16 = Utf8               ()I 
  #17 = Utf8               main 
  #18 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V 
  #19 = Utf8               SourceFile 
  #20 = Utf8               User.java 
  #21 = NameAndType        #11:#12        // "<init>":()V 
  #22 = NameAndType        #7:#8          // age:I 
  #23 = Utf8               tian 
  #24 = NameAndType        #9:#10         // name:Ljava/lang/String; 
  #25 = Utf8               com/tian/demo/test/User 
  #26 = Utf8               java/lang/Object 
{ 
  public com.tian.demo.test.User(); 
    descriptor: ()V 
    flags: ACC_PUBLIC 
    Code: 
      stack=2, locals=1, args_size=1 
         0: aload_0 
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V 
         4: aload_0 
         5: bipush        22 
         7: putfield      #2                  // Field age:I 
        10: aload_0 
        11: ldc           #3                  // String tian 
        13: putfield      #4                  // Field name:Ljava/lang/String; 
        16: return 
      LineNumberTable: 
        line 3: 0 
        line 4: 4 
        line 5: 10 
 
  public int addAge(); 
    descriptor: ()I 
    flags: ACC_PUBLIC 
    Code: 
      stack=3, locals=1, args_size=1 
         0: aload_0 
         1: aload_0 
         2: getfield      #2                  // Field age:I 
         5: iconst_1 
         6: iadd 
         7: dup_x1 
         8: putfield      #2                  // Field age:I 
        11: ireturn 
      LineNumberTable: 
        line 8: 0 
 
  public static void main(java.lang.String[]); 
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V 
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC 
    Code: 
      stack=0, locals=1, args_size=1 
         0: return 
      LineNumberTable: 
        line 13: 0 
} 
SourceFile: "User.java"

魔數與class文件版本
常量池
訪問標志
類索引、父類索引、接口索引
字段表集合
方法表集合
屬性表集合

然后JVM就可以讀取這個User.class文件進行解析等一系列的操作。

以上就是我們的Java文件到class文件。

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