Java字节码运行浅析
明白Java代码是如何编译成字节码并在JVM上运行的非常重要，这有助于理解程序运行的时候到底发生了些什么。理解这点不仅能搞清语言特性是如何实现的，并且在做方案讨论的时候能知道相应的副作用及权衡利弊。
本文介绍了Java代码是如何编译成字节码并在JVM上执行的。想了解JVM的内部结构以及字节码运行时用到的各个内存区域，可以看下我前面的一篇关于JVM内部细节的文章。
本文分为三部分，每一部分都分成几个小节。每个小节都可以单独阅读，不过由于一些概念是逐步建立起来的，如果你依次阅读完所有章节会更简单一些。每一节都会覆盖到Java代码中的不同结构，并详细介绍了它们是如何编译成字节码并执行的。
- 第一部分， 基础概念
变量
局部变量
JVM是一个基于栈的架构。方法执行的时候（包括main方法），在栈上会分配一个新的帧，这个栈帧包含一组局部变量。这组局部变量包含了方法运行过程中用到的所有变量，包括this引用，所有的方法参数，以及其它局部定义的变量。对于类方法（也就是static方法）来说，方法参数是从第0个位置开始的，而对于实例方法来说，第0个位置上的变量是this指针。
局部变量可以是以下这些类型：
- char
- long
- short
- int
- float
- double
- 引用
- 返回地址
除了long和double类型外，每个变量都只占局部变量区中的一个变量槽(slot)，而long及double会占用两个连续的变量槽，因为这些类型是64位的。
当一个新的变量创建的时候，操作数栈（operand stack）会用来存储这个新变量的值。然后这个变量会存储到局部变量区中对应的位置上。如果这个变量不是基础类型的话，本地变量槽上存的就只是一个引用。这个引用指向堆的里一个对象。
比如：
int i = 5;编译后就成了
0: bipush 5
2: istore_0| bipush | 用来将一个字节作为整型数字压入操作数栈中，在这里5就会被压入操作数栈上。 |
| istore_0 | 这是istore_ |
当这条指令执行的时候，内存布局是这样的：
class文件中的每一个方法都会包含一个局部变量表，如果这段代码在一个方法里面的话，你在类文件的局部变量表中会找到如下的一条记录。
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 1 1 i I字段
Java类里面的字段是作为类对象实例的一部分，存储在堆里面的（类变量对应存储在类对象里面）。关于字段的信息会添加到类文件里的field_info数组里，像下面这样：
ClassFile {
u4 magic;
u2 minor_version;
u2 major_version;
u2 constant_pool_count;
cp_info contant_pool[constant_pool_count – 1];
u2 access_flags;
u2 this_class;
u2 super_class;
u2 interfaces_count;
u2 interfaces[interfaces_count];
u2 fields_count;
field_info fields[fields_count];
u2 methods_count;
method_info methods[methods_count];
u2 attributes_count;
attribute_info attributes[attributes_count];
}另外，如果变量被初始化了，那么初始化的字节码会加到构造方法里。
下面这段代码编译了之后：
public class SimpleClass {
public int simpleField = 100;
}如果你用javap进行反编译，这个被添加到了field_info数组里的字段会多出一段描述信息。
public int simpleField;
Signature: I
flags: ACC_PUBLIC初始化变量的字节码会被加到构造方法里，像下面这样：
public SimpleClass();
Signature: ()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 100
7: putfield #2 // Field simpleField:I
10: return| aload_0 | 从局部变量数组中加载一个对象引用到操作数栈的栈顶。尽管这段代码看起来没有构造方法，但是在编译器生成的默认的构造方法里，就会包含这段初始化的代码。第一个局部变量正好是this引用，于是aload_0把this引用压到操作数栈中。aload_0是aload_ |
| invokespecial | 这条指令可以用来调用对象实例的初始化方法，私有方法和父类中的方法。它是方法调用指令集中的一条，其它的还有invokedynamic, invokeinterface, invokespecial, invokestatic, invokevirtual.这里的invokespecial 指令调用的是父类也就是java.lang.Objectr构造方法。 |
| bipush | 它是用来把一个字节作为整型压到操作数栈中的，在这里100会被加到操作栈里面。 |
| putfield | 它接受一个操作数，这个数引用的是运行时常量池里的一个字段，在这里这个字段是simpleField。赋给这个字段的值，以及包含这个字段的对象引用，在执行这条指令的时候，都 会从操作数栈顶上pop出来。前面的aload_0指令已经把包含这个字段的对象压到操作数栈上了，而后面的bipush又把100压到栈里。最后putfield指令会将这两个值从栈顶弹出。执行完的结果就是这个对象的simpleField这个字段的值更新成了100。 |
上述代码执行的时候内存里面是这样的：
这里的putfield指令的操作数引用的是常量池里的第二个位置。JVM会为每种类型维护一个常量池，运行时的数据结构有点类似一个符号表，尽管它包含的信息更多。Java中的字节码操作需要数据，但通常这些数据都太大了，存储在字节码里不适合，它们会被存储在常量池里面，而字节码包含一个常量池里的引用 。当类文件生成的时候，其中的一块就是常量池：
Constant pool:
#1 = Methodref #4.#16 // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref #3.#17 // SimpleClass.simpleField:I
#3 = Class #13 // SimpleClass
#4 = Class #19 // java/lang/Object
#5 = Utf8 simpleField
#6 = Utf8 I
#7 = Utf8 <init>
#8 = Utf8 ()V
#9 = Utf8 Code
#10 = Utf8 LineNumberTable
#11 = Utf8 LocalVariableTable
#12 = Utf8 this
#13 = Utf8 SimpleClass
#14 = Utf8 SourceFile
#15 = Utf8 SimpleClass.java
#16 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V
#17 = NameAndType #5:#6 // simpleField:I
#18 = Utf8 LSimpleClass;
#19 = Utf8 java/lang/Object常量字段（类常量）
带有final标记的常量字段在class文件里会被标记成ACC_FINAL.
比如
public class SimpleClass {
public final int simpleField = 100;
}字段的描述信息会标记成ACC_FINAL:
public static final int simpleField = 100;
Signature: I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL
ConstantValue: int 100对应的初始化代码并不变：
4: aload_0
5: bipush 100
7: putfield #2 // Field simpleField:I静态变量
带有static修饰符的静态变量则会被标记成ACC_STATIC：
public static int simpleField;
Signature: I
flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC不过在实例的构造方法
static {};
Signature: ()V
flags: ACC_STATIC
Code:
stack=1, locals=0, args_size=0
0: bipush 100
2: putstatic #2 // Field simpleField:I
5: return
未完待续。
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