Java 프로그램 실행에 대한 기본 지식

함수 실행을 위한 JVM 스레드 스택

각 JVM 스레드는 시작 시 전용 스레드 스택을 생성합니다. jvm 스레드 스택은 스택 프레임을 저장하는 데 사용됩니다. jvm 스레드 스택은 C 언어의 스택과 매우 유사하며 로컬 변수 및 일부 작업 결과를 관리하며 함수 호출 및 함수 반환에도 관여합니다. JVM 사양에서 실행 중인 스레드 스택의 크기는 고정되거나 동적으로 할당되거나 특정 규칙에 따라 계산될 수 있습니다. JVM의 스택 구현은 다를 수 있습니다. 일부는 개발자에게 동적 할당을 위해 JVM 스레드 스택의 초기 크기를 제어하는 ​​방법을 제공할 수 있으며 JVM의 최대값과 최소값에 대한 설정도 제공할 수 있습니다.

스레드에 필요한 할당 크기를 계산하면 고정 값이나 설정된 최대 값을 초과하면 jvm에서 StackOverflowError가 발생합니다. 동적으로 할당된 스택의 경우 메모리가 최소값 또는 필수 값을 충족할 만큼 충분한 공간을 제공하지 못하는 경우 JVM은 OutOfMemoryError

스택 프레임을 발생시킵니다. 이는 매개변수를 관리하는 함수 실행 환경으로 이해할 수 있습니다. , 지역 변수, 반환 값 등

각 스택 프레임에는 로컬 변수(로컬 변수)를 관리하는 배열이 포함되어 있습니다. 이 배열의 단위 수는 바이트코드로 컴파일될 때 결정될 수 있습니다. 32비트의 경우 하나의 단위는 boolean, byte, char, short, int, float, reference, returnAddress를 저장할 수 있으며 두 개의 연속 단위는 long 및 double을 저장하는 데 사용될 수 있습니다. 지역 변수 배열의 첨자는 0부터 시작합니다. 일반적으로 0 위치에는 이를 저장하고, 함수의 매개변수, 함수에 나타나는 지역 변수가 차례로 저장됩니다.

각 스택 프레임에는 (LIFO) 작업 스택 데이터 구조(피연산자 스택)도 포함됩니다. 해당 크기는 컴파일 중에 결정될 수도 있습니다. 생성되면 빈 스택이 됩니다. int a+b의 경우 먼저 a를 스택에 넣은 다음 b를 스택에 넣은 다음 두 값을 동시에 팝하고 iadd 명령어를 실행합니다. 그런 다음 결과를 스택에 추가하여 명령어를 완료합니다.

위의 두 가지 주요 구조 외에도 각 스택 프레임에는 상수 풀(런타임 상수 풀), 예외 발생 관리 및 기타 구조가 있습니다. 여기서는 자세히 다루지 않고 다른 정보를 참고하시면 됩니다.

스택 프레임의 작업을 설명하기 위해 간단한 데모를 사용해 보겠습니다. 먼저 이러한 함수를 살펴보겠습니다.

public int comp(float number1, float number2){
        int result ;
        if(number1 < number2)
            result = 1;
        else
            result = 2;
        return result;
    }

함수 내 로직에 해당하는 바이트코드는 다음과 같습니다.

0: fload_1

1: fload_2

2: fcmpg

3: ifge 11

6: icont_1

7: istore_3

8: goto 13

11: icont_2

12: istore_3

13: iload_3

14: ireturn

바이트코드 지침에 대해 간단히 설명하겠습니다.

fload_x: 지역 변수 배열에서 x번째 변수를 가져와 fload를 입력하고 스택에 푸시합니다.

fcmpg: 두 개의 단정밀도 부동 소수점 숫자를 비교합니다. 두 숫자가 결과보다 크면 결과는 1이고, 같으면 결과는 0이며, 결과보다 작으면 결과는 -1입니다.

ifge: 점프 명령; >

iconst_x: 상수 x를 스택에 푸시합니다.

istore_x: 스택을 x번째 지역 변수 배열로 팝합니다.

iload_x: x번째 지역 변수 배열을 읽어서 스택에 푸시합니다. stack;

ireturn: 함수 끝에서 int 유형을 반환합니다.

자세히 살펴보면 i의 시작 부분은 int를 나타내고 f의 시작 부분은 load를 나타냄을 알 수 있습니다. , load는 로딩을 나타내고, if는 점프를 나타냅니다. 바이트코드의 연산 코드 정의도 특정 의미를 가지며, 세부 사항은 jvm 바이트코드 관련 표준을 번역할 수 있습니다. 특정 호출 comp(1.02,2.02)를 예로 들어 jvm이 스택 프레임 구조에서 실행되는 방식을 살펴보겠습니다.

Java 클래스

바이트코드를 논할 때 .class는 필수 불가결합니다. 클래스의 내용을 자세히 보려면 ​​데모 클래스를 수강하는 것이 좋습니다. 클래스는 두 가지 함수 중 하나는 위의 cmp 함수입니다.

public class Hello {

    public void say(){
        System.out.println("Hello world!");
    }

    public int comp(float number1, float number2){
        int result ;
        if(number1 < number2)
            result = 1;
        else
            result = 2;
        return result;
    }
}

이 클래스를 컴파일하려면 javac -g:none Hello.java를 사용하고, 컴파일된 클래스를 구문 분석하려면 javap -c -v Hello.class를 사용하세요.

Classfile /src/main/java/com/demo/Hello.class
  Last modified 2016-10-28; size 404 bytes
  MD5 checksum 9ac6c800c312d65b568dd2a0718bd2c5public class com.demo.Hello
  minor version: 0
  major version: 52
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:   #1 = Methodref          #6.#14         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #15.#16        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #17            // Hello world!
   #4 = Methodref          #18.#19        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #20            // com/demo/Hello
   #6 = Class              #21            // java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               say
  #11 = Utf8               comp
  #12 = Utf8               (FF)I
  #13 = Utf8               StackMapTable
  #14 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
  #15 = Class              #22            // java/lang/System
  #16 = NameAndType        #23:#24        // out:Ljava/io/PrintStream;
  #17 = Utf8               Hello world!
  #18 = Class              #25            // java/io/PrintStream
  #19 = NameAndType        #26:#27        // println:(Ljava/lang/String;)V
  #20 = Utf8               com/demo/Hello
  #21 = Utf8               java/lang/Object
  #22 = Utf8               java/lang/System
  #23 = Utf8               out
  #24 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #25 = Utf8               java/io/PrintStream
  #26 = Utf8               println
  #27 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V{  public com.demo.Hello();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return

  public void say();
    descriptor: ()V
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:      stack=2, locals=1, args_size=1
         0: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         3: ldc           #3                  // String Hello world!
         5: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
         8: return

  public int comp(float, float);
    descriptor: (FF)I
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:      stack=2, locals=4, args_size=3
         0: fload_1         1: fload_2         2: fcmpg         3: ifge          11
         6: iconst_1         7: istore_3         8: goto          13
        11: iconst_2        12: istore_3        13: iload_3        14: ireturn
      StackMapTable: number_of_entries = 2
        frame_type = 11 /* same */
        frame_type = 252 /* append */
          offset_delta = 1
          locals = [ int ]
}

관련된 새로운 연산 코드를 설명하세요

getstatic：获取镜头变量;
invokevirtual：调用函数；
return：void 函数结束返回；

공용 int comp(float, float) 코드에서 위에서 언급한 단어를 볼 수 있습니다. 섹션 코드 실행의 예입니다. 지각적으로 이해하면 실제로 클래스 파일에는 바이트코드 명령어 외에 상수 풀, 액세스 플래그(공용 등), 클래스 관련 정보(속성, 함수, 상수 등)도 포함되어 있음을 대략적으로 알 수 있습니다. . 이전에 -g:node를 컴파일에 사용했기 때문에 다른 확장 및 디버깅 정보도 다른 모드의 클래스에 포함될 수 있습니다. 공식 클래스 파일 형식은 다음과 같습니다.

ClassFile {
    u4             magic;
    u2             minor_version;
    u2             major_version;
    u2             constant_pool_count;
    cp_info        constant_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];
}

magic: 아주 유명한 로고 클래스 파일인 0xCAFEBABE입니다.

minor_version 、major_version ：指的是java class 文件的版本，一般说class文件的版本是 XX.xx 其中XX 就是major，xx是minor，比如上面demo中的版本是52.0 代表就是 minor 0，major 51.

constant_pool_count:就是常量池元素个数，cp_info constant_pool[constant_pool_count-1] 就是相关的详细信息了。

access_flags：指的是访问标识例如ACC_PUBLIC、ACC_FINAL、ACC_INTERFACE、ACC_SUPER 写过java的相信看名字应该知道啥意思，ACC是access的缩写。

其他具体的，就不一一介绍了详细可以直接参考官方文档。

动态生成java字节码

当然，你可以直接按照官方的class文件格式来直接写 byte[]，然后自定义个 class load 载入编写的byte[]来实现动态生成class。不过，这个要求可能也有点高，必须的非常熟悉class文件格式才能做到。这里demo还是借助 ASM 这个类库来简单演示下，就编写下 上面的Hello 不过里面只实现say的方法。如下：

public class AsmDemo {    public static final String CLASS_NAME = "Hello";    
    public static final AsmDemoLoad load = new AsmDemoLoad();    private static class AsmDemoLoad extends ClassLoader {        public AsmDemoLoad() {            super(AsmDemo.class.getClassLoader());
        }        public Class<?> defineClassForName(String name, byte[] data) {            return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
        }
    }    public static byte[] generateSayHello() throws IOException {

        ClassWriter classWriter = new ClassWriter(ClassWriter.COMPUTE_MAXS);
        classWriter.visit(V1_7, ACC_PUBLIC + ACC_SUPER, CLASS_NAME, null, getInternalName(Object.class), null);    
        //默认初始化函数
        Method constructorMethod = Method.getMethod("void <init> ()");
        GeneratorAdapter constructor = new GeneratorAdapter(ACC_PUBLIC, constructorMethod, null, null, classWriter);
        constructor.loadThis();        //每个类都要基础Object
        constructor.invokeConstructor(Type.getType(Object.class), constructorMethod);
        constructor.returnValue();
        constructor.endMethod();

        Method mainMethod = Method.getMethod("void say ()");
        GeneratorAdapter main = new GeneratorAdapter(ACC_PUBLIC, mainMethod, null, null, classWriter);
        main.getStatic(Type.getType(System.class), "out", Type.getType(PrintStream.class));
        main.push("Hello world!");
        main.invokeVirtual(Type.getType(PrintStream.class), Method.getMethod("void println (String)"));
        main.returnValue();
        main.endMethod();        return classWriter.toByteArray();
    }    public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, IllegalArgumentException,
            InvocationTargetException, InstantiationException, NoSuchMethodException, SecurityException, IOException {        byte[] code = AsmDemo.generateSayHello();        //反射构建 hello 类，调用hello方法。
        Class<?> hello = load.defineClassForName(CLASS_NAME, code);
        hello.getMethod("say", null).invoke(hello.newInstance(), null);
    }
}

关于动态生成字节码用途，一定场景下是可以提升效率与性能，因为动态生成的类和普通的载入类并无太大区别。手工优化后的字节码执行可能比编译的要优，可以替代反射使用的许多场景 同时避免反射的性能消耗。很著名的一个例子，fastJSON 就是使用内嵌 ASM 框架动态生成字节码类，来进行序列和反序列化工作，是目前公认最快的json字符串解析。