从字节码了解Java语言特性,了解字节码做了哪些不为人知的事儿。

我们都知道,程序的执行需要我们先写.java文件,通过javac命令编译成.class文件。但其实class文件在接受到我们的一些逻辑后,悄悄咪咪干了一些不为人知的事儿。今天,我们就来揭开这层神秘面纱。

字节码指令---异常处理

每个时刻正在执行的当前方法就是虚拟机栈顶的栈帧。方法的执行就对应着栈帧在虚拟机中入栈和出栈的过程。当一个方法执行完,有两种情况,一种是正常执行,另一种是异常。

完成出口(返回地址)

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还记得一个栈帧中的四大天王么?"完成出口"这一部分做了些什么呢?我们站在字节码的角度来看看。

正常返回(程序正常结束)

三部曲:

1. 恢复上层方法的局部变量表和操作数栈

2. 把返回值(如果有的话)压入调用者栈帧的操作数栈中。

3. 调整程序计数器的值指向方法调用指令后面的一条指令。

异常返回(程序执行到某步报错)

通过异常处理表中来处理。异常处理的概念我们在此梳理一下。

异常机制的概述

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如果熟悉java语言,那么对以上异常继承体系一定不会陌生。其中Error和RuntimeException是非检查型异常,也就是不需要去catch或throw的异常。

异常处理表

我们以一段程序来举例。

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在synchronized生成的字节码中,其中包含了两条monitorexit指令,是为了保证所有的异常条件都能够退出。

我们知道,synchronized相当于加上一把锁。在锁中的任务如果发生异常,那么我们不能让锁继续占着影响其他线程的执行吧。那么字节码的异常处理表就悄悄为我们处理了这个问题。

可以看到,编译后的字节码,都带有一个叫Exception table的异常表,里面每一行数据,都是一个异常处理器。

1. from指定字节码索引的开始位置。

2. To指定字节码索引的结束位置。

3. Target异常处理的起始位置。

4. Type异常类型

也就是说,只要from,to之间出现了异常,就会跳转到target所指定的位置。

我们看到第一条monitorexit(16)(monitorenter和monitorexit两条指令来支持synchronized关键字的语义)在异常表第一条(7-17)的范围内。如果异常则调到20行。第二个monitorexit同理。

Finally---IOException

通常我们在做一些文件读取的时候,都会在finally代码块中关闭流,以避免内存溢出。关于这个场景,我们再分析一下下面这段代码的异常表

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上面的代码,捕获了一个FileNotFoundException异常,然后再finally中捕获了一个IOException异常。当我们分析字节码的时候,却发现了一个有意思的地方,IOException足足出现了三次。

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看到这里我们就可以知道,JVM在处理finally代码的时候,在try和catch的代码块后面复制了一份finally代码,保证了代码无论是在try,catch或是return后结束,finally代码一定会执行。

Finally实现除以0如何不报错

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从字节码可知,0-7行出问题直接走到第9行,也就是finally中。永远不会执行第8行的ireturn。

字节码指令---装箱拆箱

Java中有8种基本数据类型,但是鉴于Java的面线对象特点,它们同样有着对应的8个包装类型。比如int和integer,包装类型的值可以为null(基本类型没有null值)。而数据库普遍存在null值,所有实体类中所有属性应采用包装类型,很多时候,它们都可以相互赋值。

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通过观察字节码,我们发现

1. 在进行乘法运算的时候,调用了Integer.intValue方法来获取基本类型的值。

2. 赋值操作使用的是Integer.valueOf方法。

3. 在方法返回的时候,再次使用了Integer.valueOf方法对结果进行了包装。

这就是Java中的自动装箱拆箱的底层实现。

IntegerCache

这个知识点为扩展知识点,不用字节码分析。查看valueOf源码。发现low和high之间还有一个cache静态变量image.png

继续追踪

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发现一般缓存是-128~127.最小值是写死的,但是最大值可以通过-XX:AutoBoxCacheMax来修改上限。

那么下面一道经典面试题会输出什么结果呢?

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一般不修改参数的情况下就是true,false。

字节码指令----数组

其实,数组是JVM内置的一种对象类型。这个对象同样继承了Object类。在此我们站在字节码的角度来分析数组的一些相关操作。

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具体操作:

4.  iconst_0,数组下标为0的常量压入操作数栈中

5.  Sipush,将一个常量为1111的值压入操作数栈中

8.  Iastore,将这个int型变量数组索引为0的位置中

为了支持多种类型的字面量能够压入数组,提供了bastore,castore,sastore,iastore等等。

数组创建

可以看到,新建数组的代码,被编译成了newarray指令。(每当遇见new指令后,都会跟一个dup指令)。

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仅1111元素进入数组的具体操作(其余元素重复执行):

4.  iconst_0,数组下标为0的常量压入操作数栈中

5.  Sipush,将一个常量为1111的值压入操作数栈中

8.  Iastore,将这个int型变量数组索引为0的位置中

为了支持多种类型的字面量能够压入数组,提供了bastore,castore,sastore,iastore等等。

数组访问

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数组的访问:28~30行实现

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28. aload_1:该方法的局部变量表中索引为1的引用推送至操作数栈。此处是生成的arr数组引用(意思整个数组先丢到操作数栈里)。

29. Iconset_2:将int为2的数字推送至操作数栈

30. aload:在数组中取出索引为2的数推送到操作数栈。

31. ireturn : 将索引为2的数从操作数栈中返回到局部变量表中,至此完成操作。

获取数组长度 arrayLength

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直接通过获取数组长度指令 arraylength,获取数组长度。

字节码指令--foreach

无论是java数组还是List,都可以使用foreach语句进行遍历。虽然在语言层面它们的表现形式是一致的。但是实际的方法并不同。

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使用jd-gui等反编译工具,可以看到实际代码的效果

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数组:将它们代码解释成了传统的变量方式,即:for(int i;i<length;i++)的形式。

List实际是把List对象进行迭代并遍历,在循环中,使用了Iterator.next()的方法。

字节码指令总结

Java的特性非常多,这里不一一列出。但是可以通过查看字节码的方式,从字节码的角度分析它的原理,一窥究竟。

本次总结输入抛砖引玉,给大家一个学习思路。

比如异常处理,finally块的执行顺序,以及隐藏的装箱拆箱和foreach语法糖的底层实现。

还有字节码指令。可能几千行,看起来很吓人,但是执行速度都是纳秒级的。Java的无数框架,包括JDK,也不会为了优化这些行数,就去增加一次Java线程的上下文切换,这个比几千行字节码执行慢得多。

 

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