（一）Java虚拟机——JVM的组成

什么是JVM?

JVM全称是 Java Virtual Machine，中文译名 Java虚拟机，是Java语言的核心组件，它是一个能够执行Java字节码的虚拟计算机。JVM的主要职责是允许Java程序在任何平台上运行，无需为每种硬件和操作系统重新编写代码，从而实现了Java的“一次编写，处处运行”的理念。通俗的说就是跨平台用的。

JVM的功能

• 解释和运行：对字节码文件中的指令，实时解释为机器码，让计算机运行。
• 内存管理：自动为对象、方法等分配内存；自动的垃圾回收机制，回收不在使用的对象。
• 即时编译：对热点代码进行优化，提升执行效率。

工作原理:

对比C/C++：因为Java的即时编译，性能不如C/C++(如果不做任何优化)

JDK，JRE和JVM三者的关系？

JDK：英文全称 Java Development Kit，是Java的开发工具包 JDK是提供给Java开发人员使用的，其中包含了Java的开发工具和JRE。其中的开发工具包括：编译工具（javac.exe）打包工具（jre.exe）等。通俗的说就是开发用的。

JRE：英文全称 Java Runtime Environment，是Java运行环境 JRE包括Java虚拟机 (JVM Java Virtual Machine)和Java程序所需的核心类库等，如果想要运行一个开发好的Java程序，计算机中只需要安装JRE即可。通俗的说就是运行用的。

JDK = JRE + 开发工具集（例如Javac编译工具等）

JRE = JVM + Java SE 标准类库

 JVM的组成

JVM主要是由类加载器、运行时数据区域、执行引擎、本地接口。

 字节码文件的组成

字节码文件保存了源代码编译之后的内容，以二进制的方式存储

• 基本信息：魔数、字节码文件对应的Java版本号访问标识(public final等)父类和接口。
• 常量池：保存了字符串、类或接口名、字段名，主要在字节码指令中使用。
• 字段：当前类或接口声明的字段信息。
• 方法：当前类或接口声明方法信息字节码指令。
• 属性：类的属性，比如：源码的文件名内部类的列表等。

字节码文件的组成——基本信息

Magic魔数

说明：

• 文件是无法通过文件拓展名来确定文件类型的，文件拓展名可以随意修改，不影响文件的内容。
• 软件使用文件的头几个字节（文件头）来校验文件的类型，如果软件不支持改类型就会报错。

在Java字节码文件中，将文件头称为Magic魔数。

Java的字节码文件，字节数为4，文件头为：CAFFBABE

主副版号

主副版号是指编译字节码文件的JDK版号。主版号用来识别大版本，副版号用来识别不同的版本。

主要作用：判断当前字节码版本与运行时的JDK是否兼容。

判断版本：主版号 - 44

比如主版号52就是JDK8

思考：

如果遇到依赖版本与JDK版本不兼容，导致的报错，解决方案

1. 修改JDK版本与该依赖兼容的版本。（不建议，容易引发其他文件的正常运行）
2. 更换兼容该JDK版本的依赖版本。（推荐）

字节码文件的组成——常量池

作用：避免相同的内容重复定义，节省空间。

定义变量后，是先指向类型，由类型指向常量。

使用IDEA插件jclasslib查看字节码文件 

在idea中搜索 jclasslib 并完成下载和安装

新建一个Java程序

    public static void main(String[] args) {
        int i = 0;
        i = i++;
        System.out.println(i);
    }

注意： 运行后，才能看到字节码文件

运行后，选择 view -> show bytecode With Jclasslib

 在弹出的框里面，选择 方法 --> main --> Code 即可看到字节码文件

 点击一条语句，选择显示JVM规范，即可看到相关的解释

 字节码文件的组成——方法

这里引入两个新概念--操作数栈和局部变量表

操作数栈：临时存放数据的地方

局部变量表：存放方法中的局部变量的位置

下面以：int i = 0; int j = i + 0 .为例子，讲解一下

使用jclasslib 查看这两句的 字节码文件

0 iconst_0
1 istore_1
2 iload_1
3 iconst_1
4 iadd
5 istore_2
6 return

 逐一解析

1. iconst_0 (索引0)

   • 作用：将整型常量 0 压入操作数栈。

   • 操作数栈变化：[空] → [0]

2. istore_1 (索引1)

   • 作用：将栈顶的整型值 0 存储到局部变量表的索引 1 的位置。

   • 局部变量表变化：索引 1 的值变为 0。

   • 操作数栈变化：[0] → [空]

3. iload_1 (索引2)

   • 作用：从局部变量表索引 1 加载整型值 0 到操作数栈。

   • 操作数栈变化：[空] → [0]

4. iconst_1 (索引3)

   • 作用：将整型常量 1 压入操作数栈。

   • 操作数栈变化：[0] → [0, 1]

5. iadd (索引4)

   • 作用：弹出栈顶的两个值 0 和 1，相加后结果 1 压回栈顶。

   • 操作数栈变化：[0, 1] → [1]

6. istore_2 (索引5)

   • 作用：将栈顶的整型值 1 存储到局部变量表索引 2 的位置。

   • 局部变量表变化：索引 2 的值变为 1。

   • 操作数栈变化：[1] → [空]

7. return (索引6)

   • 作用：结束当前方法（无返回值）。

面试题一

int i = 0; i =  i++  问 i 等于多少

先看字节码文件

0 iconst_0
1 istore_1
2 iload_1
3 iinc 1 by 1
6 istore_1
7 return

从字节码文件中分析出++操作之间在局部变量中操作，不需要在操作数栈的中操作。

回答：答案是0，我通过分析字节码指令发现，i++先把0取出来放入临时的操作数栈中，
接下来对进行加1，i变成了1，最后再将之前保存的临时值0放入i，最后i就变成了0。

面试题二

问 int i = 0 , j = 0 ,k = 0 ; 比较： i ++; j = j + 1; k += 1; 的性能？

先查看每一个的字节码文件

i ++:

0 iconst_0
1 istore_1
2 iload_1
3 iinc 1 by 1
6 istore_1
7 return

 j = j + 1:

0 iconst_0
1 istore_1
2 iload_1
3 iconst_1
4 iadd
5 istore_1
6 return

 k += 1:

0 iconst_0
1 istore_1
2 iinc 1 by 1
5 return

由字节码文件可知：

• 优先使用 i++ 或 k += 1：编译优化更高效，代码简洁且性能更好。

• 避免 j = j + 1：冗余的栈操作会降低性能（尤其在循环中）

玩转字节码工具——arthas

官网：arthas (aliyun.com)

Arthas 是一款线上监控诊断产品，通过全局视角实时查看应用 load、内存、gc、线程的状态信息，并能在不修改应用代码的情况下，对业务问题进行诊断，包括查看方法调用的出入参、异常，监测方法执行耗时，类加载信息等，大大提升线上问题排查效率。 

这里使用 arthas 官网自带的调试工具进行测试

开一个 cmd 窗口，运行以下命令。

math-game是一个简单的程序，每隔一秒生成一个随机数，再执行质因数分解，并打印出分解结果。

curl -O https://arthas.aliyun.com/math-game.jar
java -jar math-game.jar

 再开一个窗口，运行以下命令

curl -O https://arthas.aliyun.com/arthas-boot.jar
java -jar arthas-boot.jar

之后就会看到我们刚才启动的程序 ，输入3，即可进入

 查看 dashboard

 输入
 dashboard ，按回车/enter，会展示当前进程的信息，按ctrl+c可以中断执行。

 也可以指定，多少毫秒刷新和刷新多少次

如果没有指定默认5000ms刷新，刷新无数次

dashboard -i 毫秒 -n 次数

 此图可以查看CPU的占用情况，线程的运行时间等

memory：内存

runtime:运行时间内的相关配置信息

dump

已加载类的 字节码文件 到特定目录

dump -d 指定输出路径 包名.类名

 以之前已经运行的程序为例

 打开这个目录后，会发现一个MathGame.class的文件。使用JClassLib: JClassLib不但是一个字节码阅读器而且还包含一个类库允许开发者读取,修改,写入Java Class文件与字节码。 (gitee.com)

下载并安装这个工具打开，可以看到它的信息

 jad

jad 命令将 JVM 中实际运行的 class 的 byte code 反编译成 java 代码，便于你理解业务逻辑；

jad 包名.类名