JVM-3.类加载与字节码技术

三、类加载与字节码技术

1. 类文件结构
2. 字节码指令
3. 编译期处理
4. 类加载阶段
5. 类加载器
6. 运行期优化
   

1、类文件结构

一个简单的 HelloWorld.java

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

执行 javac -parameters -d .HelloWorld.java

javac是编译 -d是打包 .是代表当前目录 HelloWorld.java是要编译的java程序
你在cmd下你输入的命令肯定是有目录的.比如前面是C:\>那么你所输入的命令就代表在c盘根目录下进行操作.如果你想要把生成的.class文件放在其他位置比如d盘根目录,那么命令就变为javac -d d:\ HelloWorld.java

编译为 HelloWorld.class 后是这样的

根据 JVM 规范，类文件结构如下

1.1 魔数

0~3 字节，表示它是否是【class】类型的文件

0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09

1.2 版本

4~7 字节，表示类的版本 00 34（52） 表示是 Java 8
0000000 ca fe ba be 00 00 00 34 00 23 0a 00 06 00 15 09
52对应 JDK8 53对应 JDK9 以此类推
34 是十六进制，转为 十进制 就是 52

1.3 常量池

2. 字节码指令

2.2 javap工具

• 自己分析类文件结构太麻烦了，Oracle 提供了 javap 工具来反编译 class 文件
• javap -v HelloWorld.class

2.3 图解方法执行流程

1）原始 java 代码

/**  
 * 演示 字节码指令 和 操作数栈、常量池的关系  
 */  
public class Demo3_1 {  
    public static void main(String[] args) {  
        int a = 10;  
        int b = Short.MAX_VALUE + 1;  
        int c = a + b;  
        System.out.println(c);  
    }  
}

2）编译后的字节码文件

• javac Demo3_1.java
• javap -v Demo3_1.class > Demo3_1.txt

Classfile /Users/cyt/workspace/java/jvm-std/jvm/src/cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1.class  
  Last modified 2025-10-31; size 458 bytes  
  MD5 checksum c348d73829d4e1d222149a658eb88331  
  Compiled from "Demo3_1.java"  
public class cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1  
  minor version: 0  
  major version: 52  
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER  
Constant pool:  
   #1 = Methodref          #7.#16         // java/lang/Object."<init>":()V  
   #2 = Class              #17            // java/lang/Short  
   #3 = Integer            32768  
   #4 = Fieldref           #18.#19        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
   #5 = Methodref          #20.#21        // java/io/PrintStream.println:(I)V  
   #6 = Class              #22            // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1  
   #7 = Class              #23            // java/lang/Object  
   #8 = Utf8               <init>  
   #9 = Utf8               ()V  
  #10 = Utf8               Code  
  #11 = Utf8               LineNumberTable  
  #12 = Utf8               main  
  #13 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V  
  #14 = Utf8               SourceFile  
  #15 = Utf8               Demo3_1.java  
  #16 = NameAndType        #8:#9          // "<init>":()V  
  #17 = Utf8               java/lang/Short  
  #18 = Class              #24            // java/lang/System  
  #19 = NameAndType        #25:#26        // out:Ljava/io/PrintStream;  
  #20 = Class              #27            // java/io/PrintStream  
  #21 = NameAndType        #28:#29        // println:(I)V  
  #22 = Utf8               cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_1  
  #23 = Utf8               java/lang/Object  
  #24 = Utf8               java/lang/System  
  #25 = Utf8               out  
  #26 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;  
  #27 = Utf8               java/io/PrintStream  
  #28 = Utf8               println  
  #29 = Utf8               (I)V  
{  
  public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_1();  
    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  
      LineNumberTable:  
        line 6: 0  
  
  public static void main(java.lang.String[]);  
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V  
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC  
    Code:  
      stack=2, locals=4, args_size=1  
         0: bipush        10  
         2: istore_1  
         3: ldc           #3                  // int 32768  
         5: istore_2  
         6: iload_1  
         7: iload_2  
         8: iadd  
         9: istore_3  
        10: getstatic     #4                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
        13: iload_3  
        14: invokevirtual #5                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V  
        17: return  
      LineNumberTable:  
        line 8: 0  
        line 9: 3  
        line 10: 6  
        line 11: 10  
        line 12: 17  
}  
SourceFile: "Demo3_1.java"

3）常量池载入运行时常量池

• shot范围内的很小的数：跟字节码存储在一起
  

4）方法字节码载入方法区

• 介绍字节码指令
  • bipush 10：把10 压入栈 （10是short范围内的数，直接保存在字节码指令）
  • ldc #3： 把常量池中#3 的int 大数压入栈
    

5）main 线程开始运行，分配栈帧内存

• 绿色：局部变量表
• 蓝色：操作数栈
• 大小：（stack=2，locals=4）
  

6）执行引擎开始执行字节码

bipush 10

• 将一个 byte 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节），类似的指令还有
• sipush 将一个
• short 压入操作数栈（其长度会补齐 4 个字节）
• ldc 将一个 int 压入操作数栈
• ldc2_w 将一个 long 压入操作数栈（分两次压入，因为 long 是 8 个字节）
• 这里小的数字都是和字节码指令存在一起，超过 short 范围的数字存入了常量池
  

istore_1

• 将操作数栈顶数据弹出，存入局部变量表的 slot（槽位） 1
  

ldc #3

• 从常量池加载 #3 数据到操作数栈
• 注意 Short.MAX_VALUE 是 32767，所以 32768 = Short.MAX_VALUE + 1 实际是在编译期间计算 好的
  

istore_2

• 出栈，将局部变量表slot 2 = 32768
  

iload_1

• 将操作时读回操作数栈
  • 运算必须在操作数栈进行
    

iload_2

• 读回第二个操作数
  

iadd

istore_3

• 存入结果
  

getstatic #4

• 取方法引用：
  • 到堆内存找到 System.out
    
• 存入方法栈
  

load_3

invokevirtual #5

• 找到常量池 #5 项

• 定位到方法区 java/io/PrintStream.println:(I)V 方法

• 生成新的栈帧（分配 locals、stack等）

• 传递参数，执行新栈帧中的字节码
  

• 执行完毕，弹出栈帧

• 清除 main 操作数栈内容
  

return

• 完成 main 方法调用，弹出 main 栈帧
• 程序结束

2.4 练习 - 分析 i++

• 目的：从字节码角度分析 a++ 相关题目
• javac -g
• javap -v
• 源码

/**  
 * 从字节码角度分析　a++  相关题目  
 */  
public class Demo3_2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        int a = 10;  
        int b = a++ + ++a + a--;  
        System.out.println(a);  
        System.out.println(b);  
    }  
}

字节码：

Classfile /Users/cyt/workspace/java/jvm-std/jvm/src/cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2.class  
  Last modified 2025-11-1; size 610 bytes  
  MD5 checksum 5f6a35e5b9bb88d08249958a8d2ab043  
  Compiled from "Demo3_2.java"  
public class cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_2  
  minor version: 0  
  major version: 52  
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER  
Constant pool:  
   #1 = Methodref          #5.#22         // java/lang/Object."<init>":()V  
   #2 = Fieldref           #23.#24        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
   #3 = Methodref          #25.#26        // java/io/PrintStream.println:(I)V  
   #4 = Class              #27            // cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2  
   #5 = Class              #28            // java/lang/Object  
   #6 = Utf8               <init>  
   #7 = Utf8               ()V  
   #8 = Utf8               Code  
   #9 = Utf8               LineNumberTable  
  #10 = Utf8               LocalVariableTable  
  #11 = Utf8               this  
  #12 = Utf8               Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2;  
  #13 = Utf8               main  
  #14 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V  
  #15 = Utf8               args  
  #16 = Utf8               [Ljava/lang/String;  
  #17 = Utf8               a  
  #18 = Utf8               I  
  #19 = Utf8               b  
  #20 = Utf8               SourceFile  
  #21 = Utf8               Demo3_2.java  
  #22 = NameAndType        #6:#7          // "<init>":()V  
  #23 = Class              #29            // java/lang/System  
  #24 = NameAndType        #30:#31        // out:Ljava/io/PrintStream;  
  #25 = Class              #32            // java/io/PrintStream  
  #26 = NameAndType        #33:#34        // println:(I)V  
  #27 = Utf8               cn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2  
  #28 = Utf8               java/lang/Object  
  #29 = Utf8               java/lang/System  
  #30 = Utf8               out  
  #31 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;  
  #32 = Utf8               java/io/PrintStream  
  #33 = Utf8               println  
  #34 = Utf8               (I)V  
{  
  public cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Demo3_2();  
    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  
      LineNumberTable:  
        line 6: 0  
      LocalVariableTable:  
        Start  Length  Slot  Name   Signature  
            0       5     0  this   Lcn/itcast/jvm/t3/bytecode/Demo3_2;  
  
  public static void main(java.lang.String[]);  
    descriptor: ([Ljava/lang/String;)V  
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC  
    Code:  
      stack=2, locals=3, args_size=1  
         0: bipush        10  
         2: istore_1  
         3: iload_1  
         4: iinc          1, 1  
         7: iinc          1, 1  
        10: iload_1  
        11: iadd  
        12: iload_1  
        13: iinc          1, -1  
        16: iadd  
        17: istore_2  
        18: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
        21: iload_1  
        22: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V  
        25: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;  
        28: iload_2  
        29: invokevirtual #3                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V  
        32: return  
      LineNumberTable:  
        line 8: 0  
        line 9: 3  
        line 10: 18  
        line 11: 25  
        line 12: 32  
      LocalVariableTable:  
        Start  Length  Slot  Name   Signature  
            0      33     0  args   [Ljava/lang/String;  
            3      30     1     a   I  
           18      15     2     b   I  
}  
SourceFile: "Demo3_2.java"

• 分析：

• 注意 iinc 指令是直接在局部变量 slot 上进行运算

• a++ 和 ++a 的区别是先执行 iload 还是 先执行 iinc
  

• a++
  

• a++ ++a
  

• a++ + ++a = 22

• 10 + 12
  

• a--
  

• + a--

• 22 + 12

• 12再– 变为11
  

2.5 条件判断指令

2.6 循环控制指令

while：

for：

2.7 练习 - 判断结果

• 结果：x是0，没有变化
  • x执行iload_x，放入操作数栈，为0
  • x在局部变量表slot执行iinc x 1 局部变量表x为1
  • 执行赋值操作：操作数栈的0赋值给局部变量表的x
  • x又变为0
    

2.8 构造方法

1） <cinit>()V

• 结果为30
• 若 static int i = 10; 放在最后，结果为10

public class Demo3_8_1 {  
  
	static int i = 10;
  
    static {  
        i = 20;  
    }  
  
  
    static {  
        i = 30;  
    }  
	// static int i = 10;
	
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println(Demo3_8_1.i);  
    }  
}

• 编译器会按从上至下的顺序，收集所有 static 静态代码块和静态成员赋值的代码，合并为一个特殊的方 法 <cinit>()V ：
• <cinit>()V 方法会在类加载的初始化阶段被调用
  

2) <init>()V

• 结论
  • s3 和 30
  • 从上往下执行

public class Demo3_8_2 {    
    private String a = "s1";  
  
    {  
        b = 20;  
    }  
  
    private int b = 10;  
  
    {  
        a = "s2";  
    }  
  
    public Demo3_8_2(String a, int b) {  
        this.a = a;  
        this.b = b;  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Demo3_8_2 d = new Demo3_8_2("s3", 30);  
        System.out.println(d.a); // s3  
        System.out.println(d.b); // 30  
    }  
}

• 编译器会按从上至下的顺序，收集所有 {} 代码块和成员变量赋值的代码，形成新的构造方法，但原始构 造方法内的代码总是在最后
  

2.9 方法调用

• 看一下几种不同的方法调用对应的字节码指令

public class Demo3_9 {  
    public Demo3_9() { }  
  
    private void test1() { }  
  
    private final void test2() { }  
  
    public void test3() { }  
  
    public static void test4() { }  
  
    @Override  
    public String toString() {  
        return super.toString();  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Demo3_9 d = new Demo3_9();  
        d.test1();  
        d.test2();  
        d.test3();  
        d.test4();  
        Demo3_9.test4();  
        d.toString();  
    }  
}

• 字节码
• asotre_1 存放d，对象的引用
  
• new 是创建【对象】，给对象分配堆内存，执行成功会将【对象引用】压入操作数栈
• dup 是赋值操作数栈栈顶的内容，本例即为【对象引用】，为什么需要两份引用呢，一个是要配 合 invokespecial 调用该对象的构造方法 "<init>":()V （会消耗掉栈顶一个引用），另一个要 配合 astore_1 赋值给局部变量
• 最终方法（final），私有方法（private），构造方法都是由 invokespecial 指令来调用，属于静 态绑定
• 普通成员方法是由 invokevirtual 调用，属于动态绑定，即支持多态
• 成员方法与静态方法调用的另一个区别是，执行方法前是否需要【对象引用】
• 比较有意思的是 d.test4(); 是通过【对象引用】调用一个静态方法，可以看到在调用 invokestatic 之前执行了 pop 指令，把【对象引用】从操作数栈弹掉了😂
• 还有一个执行 invokespecial 的情况是通过 super 调用父类方法

2.10 多态的原理

/**  
 * 演示多态原理，注意加上下面的 JVM 参数，禁用指针压缩  
 * -XX:-UseCompressedOops -XX:-UseCompressedClassPointers  
 */public class Demo3_10 {  
  
    public static void test(Animal animal) {  
        animal.eat();  
        System.out.println(animal.toString());  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws IOException {  
        test(new Cat());  
        test(new Dog());  
        System.in.read();  
    }  
}  
  
abstract class Animal {  
    public abstract void eat();  
  
    @Override  
    public String toString() {  
        return "我是" + this.getClass().getSimpleName();  
    }  
}  
  
class Dog extends Animal {  
  
    @Override  
    public void eat() {  
        System.out.println("啃骨头");  
    }  
}  
  
class Cat extends Animal {  
  
    @Override  
    public void eat() {  
        System.out.println("吃鱼");  
    }  
}

1）运行代码

• 停在 System.in.read() 方法上，这时运行 jps 获取进程 id

2）运行 HSDB 工具

• 进入 JDK 安装目录，执行
  • java -cp ./lib/sa-jdi.jar sun.jvm.hotspot.HSDB
  • JDK9之后，执行JHSDB HSDB

3）查找某个对象

• 打开 Tools -> Find Object By Query
• 输入 select d from cn.itcast.jvm.t3.bytecode.Dog d 点击 Execute 执行
  

4）查看对象内存结构

• 点击超链接可以看到对象的内存结构，此对象没有任何属性，因此只有对象头的 16 字节，前 8 字节是 MarkWord，后 8 字节就是对象的 Class 指针
• 但目前看不到它的实际地址
  

8）小结

• 对号入座，发现
  • eat() 方法是 Dog 类自己的
  • toString() 方法是继承 String 类的
  • finalize() ，equals()，hashCode()，clone() 都是继承 Object 类的
• 当执行 invokevirtual 指令时，
  1. 先通过栈帧中的对象引用找到对象
  2. 分析对象头，找到对象的实际 Class
  3. Class 结构中有 vtable，它在类加载的链接阶段就已经根据方法的重写规则生成好了
  4. 查表得到方法的具体地址
  5. 执行方法的字节码

2.11 异常处理

try-catch

public class Demo3_11_1 {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        int i = 0;  
        try {  
            i = 10;  
        } catch (Exception e) {  
            i = 20;  
        }  
    }  
}

注意 为了抓住重点，下面的字节码省略了不重要的部分

• 可以看到多出来一个 Exception table 的结构，[from, to) 是前闭后开的检测范围，一旦这个范围 内的字节码执行出现异常，则通过 type 匹配异常类型，如果一致，进入 target 所指示行号
• 8 行的字节码指令 astore_2 是将异常对象引用存入局部变量表的 slot 2 位置

多个 single-catch 块的情况

public class Demo3_11_2 {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        int i = 0;  
        try {  
            i = 10;  
        } catch (ArithmeticException e) {  
            i = 30;  
        } catch (NullPointerException e) {  
            i = 40;  
        } catch (Exception e) {  
            i = 50;  
        }  
    }  
}

• 因为异常出现时，只能进入 Exception table 中一个分支，所以局部变量表 slot 2 位置被共用

multi-catch 的情况

public class Demo3_11_3 {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        try {  
            Method test = Demo3_11_3.class.getMethod("test");  
            test.invoke(null);  
        } catch (NoSuchMethodException | IllegalAccessException | InvocationTargetException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
  
    public static void test() {  
        System.out.println("ok");  
    }  
}

finally

public class Demo3_11_4 {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        int i = 0;  
        try {  
            i = 10;  
        } catch (Exception e) {  
            i = 20;  
        } finally {  
            i = 30;  
        }  
    }  
}

• 把finally的字节码分别放到每个try块中
• 可以看到 finally 中的代码被复制了 3 份，分别放入 try 流程，catch 流程以及 catch 剩余的异常类型流 程
  

2.12 练习 - finally 面试题

finally 出现了 return

• 先问问自己，下面的题目输出什么？

• 返回20
  

• 字节码
  

• 由于 finally 中的 ireturn 被插入了所有可能的流程，因此返回结果肯定以 finally 的为准

• 至于字节码中第 2 行，似乎没啥用，且留个伏笔，看下个例子

• 跟上例中的 finally 相比，发现没有 athrow 了，这告诉我们：如果在 finally 中出现了 return，会 吞掉异常😱😱😱，可以试一下下面的代码

• 不要在finally中return！！！

• 输出20

• 不显示异常（被finally的return吞了）

public class Demo3_12_1 {  
    public static void main(String[] args) {  
        int result = test();  
        System.out.println(result);  
    }  
  
    public static int test() {  
        try {  
            int i = 1 / 0;  
            return 10;  
        } finally {  
            return 20;  
        }  
    }  
}

• 结果
  

finally 对返回值影响

public class Demo3_12_2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        int result = test();  
        System.out.println(result);  
    }  
  
    public static int test() {  
        int i = 10;  
        try {  
            return i;  
        } finally {  
            i = 20;  
        }  
    }  
}

• 10的值先进slot0
• 再iload到操作数栈
• 再把10放进slot1，暂存真实的返回值，做备份
• 最后返回的就是slot1的值
  

2.13 synchronized

public class Demo3_13 {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Object lock = new Object();  
        synchronized (lock) {  
            System.out.println("ok");  
        }  
    }  
}

• dup 复制两份引用
• 一份用来加锁，一份用来解锁
  

注意
方法级别的 synchronized 不会在字节码指令中有所体现

3. 编译期处理

• 所谓的 语法糖 ，其实就是指 java 编译器把 *.java 源码编译为 *.class 字节码的过程中，自动生成 和转换的一些代码，主要是为了减轻程序员的负担，算是 java 编译器给我们的一个额外福利（给糖吃 嘛）
• 注意，以下代码的分析，借助了 javap 工具，idea 的反编译功能，idea 插件 jclasslib 等工具。另外， 编译器转换的结果直接就是 class 字节码，只是为了便于阅读，给出了 几乎等价 的 java 源码方式，并 不是编译器还会转换出中间的 java 源码，切记。

3.1 默认构造器

public class Candy1 { 
}

编译成class后的代码：

public class Candy1 { 
	// 这个无参构造是编译器帮助我们加上的 
	public Candy1() { 
	super(); // 即调用父类 Object 的无参构造方法，即调用java/lang/Object." <init>":()V 
	} 
}

3.2 自动拆装箱

• 这个特性是 JDK 5 开始加入的， 代码片段1 ：

public class Candy2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        Integer x = 1;  
        int y = x;  
    }  
}

• 这段代码在 JDK 5 之前是无法编译通过的，必须改写为 代码片段2 :

public class Candy2 {  
    public Candy2() {  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        Integer x = Integer.valueOf(1);
        int y = x.intValue();
    }  
}

• 显然之前版本的代码太麻烦了，需要在基本类型和包装类型之间来回转换（尤其是集合类中操作的都是 包装类型），因此这些转换的事情在 JDK 5 以后都由编译器在编译阶段完成。即 代码片段1 都会在编 译阶段被转换为 代码片段

3.3 泛型集合取值

• 泛型也是在 JDK 5 开始加入的特性，但 java 在编译泛型代码后会执行 泛型擦除 的动作，即泛型信息 在编译为字节码之后就丢失了，实际的类型都当做了 Object 类型来处理

public class Candy3 {  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        List<Integer> list = new ArrayList<>();  
        list.add(10); // 实际调用的是 List.add(Object e)        
        Integer x = list.get(0); // 实际调用的是 Object obj = List.get(int index);  
	} 
}

• 所以在取值时，编译器真正生成的字节码中，还要额外做一个类型转换的操作：

// 需要将 Object 转为 Integer 
Integer x = (Integer)list.get(0); 

• 如果前面的 x 变量类型修改为 int 基本类型那么最终生成的字节码是：

// 需要将 Object 转为 Integer, 并执行拆箱操作 
int x = ((Integer)list.get(0)).intValue();

• 使用反射，仍然能够获得这些信息：

Method test = Candy3.class.getMethod("test", List.class, Map.class);  
        Type[] types = test.getGenericParameterTypes();  
        for (Type type : types) {  
            if (type instanceof ParameterizedType) {  
                ParameterizedType parameterizedType = (ParameterizedType) type;  
                System.out.println("原始类型 - " + parameterizedType.getRawType());  
                Type[] arguments = parameterizedType.getActualTypeArguments();  
                for (int i = 0; i < arguments.length; i++) {  
                    System.out.printf("泛型参数[%d] - %s\n", i, arguments[i]);  
                }  
            }  
        }  
    }  
    public Set<Integer> test(List<String> list, Map<Integer, Object> map) {  
        return null;  
    } 

• 输出
  

3.4 可变参数

• 可变参数也是 JDK 5 开始加入的新特性：

public class Candy4 {  
    public static void foo(String... args) {  
        String[] array = args; // 直接赋值  
        System.out.println(array);  
    }  
  
    public static void main(String[] args) {  
        foo("hello", "world");  
    }  
}

• 可变参数 String... args 其实是一个 String[] args ，从代码中的赋值语句中就可以看出来。 同样 java 编译器会在编译期间将上述代码变换为：

public class Candy4 {  
    public Candy4() {  
    }  
  
    public static void foo(String... var0) {  
        System.out.println(var0);  
    }  
  
    public static void main(String[] var0) {  
        foo("hello", "world");  
    }  
}

注意 如果调用了 foo() 则等价代码为 foo(new String[]{}) ，创建了一个空的数组，而不会传递 null 进去

3.5 foreach 循环

• 仍是 JDK 5 开始引入的语法糖，数组的循环：

public class Candy5_1 {  
    public static void main(String[] args) {  
        int[] array = {1, 2, 3, 4, 5}; // 数组赋初值的简化写法也是语法糖哦  
        for (int e : array) {  
            System.out.println(e);  
        }  
    }  
}

• 会被编译器转换为：
  • int[] array = {1, 2, 3, 4, 5}; 等价 new int[]{1, 2, 3, 4, 5}
  • for (int e : array) 等价 for(int var4 = 0; var4 < var3; ++var4)

public class Candy5_1 {  
    public Candy5_1() {  
    }  
  
    public static void main(String[] var0) {  
        int[] var1 = new int[]{1, 2, 3, 4, 5};  
        int[] var2 = var1;  
        int var3 = var1.length;  
  
        for(int var4 = 0; var4 < var3; ++var4) {  
            int var5 = var2[var4];  
            System.out.println(var5);  
        }  
  
    }  
}

• 而集合的循环：

public class Candy5_2 {  
    public static void main(String[] args) {  
        List<Integer> list = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);  
        for (Integer i : list) {  
            System.out.println(i);  
        }  
    }  
}

• 实际被编译器转换为对迭代器的调用：

public class Candy5_2 {  
    public Candy5_2() {  
    }  
  
    public static void main(String[] var0) {  
        List var1 = Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5);  
        Iterator var2 = var1.iterator();  
  
        while(var2.hasNext()) {  
            Integer var3 = (Integer)var2.next();  
            System.out.println(var3);  
        }  
  
    }  
}

注意
foreach 循环写法，能够配合数组，以及所有实现了 Iterable 接口的集合类一起使用，其中 Iterable 用来获取集合的迭代器（ Iterator ）

3.6 switch 字符串

• 从 JDK 7 开始，switch 可以作用于字符串和枚举类，这个功能其实也是语法糖，例如：

public class Candy6_1 {  
    public static void choose(String str) {  
        switch (str) {  
            case "hello": {  
                System.out.println("h");  
                break;  
            }  
            case "world": {  
                System.out.println("w");  
                break;  
            }  
        }  
    }  
}

注意
switch 配合 String 和枚举使用时，变量不能为null，原因分析完语法糖转换后的代码应当自然清 楚

• 会被编译器转换为：

• 可以看到，执行了两遍 switch，第一遍是根据字符串的 hashCode 和 equals(怕字符串hash冲突) 将字符串的转换为相应 byte 类型，第二遍才是利用 byte 执行进行比较。
  

• 为什么第一遍时必须既比较 hashCode，又利用 equals 比较呢？hashCode 是为了提高效率，减少可 能的比较；而 equals 是为了防止 hashCode 冲突，例如 BM 和 C. 这两个字符串的hashCode值都是 2123 ，如果有如下代码：

public class Candy6_2 {  

	public static void main(String[] args) {  
	    System.out.println("BM".hashCode()); // 2123  
	    System.out.println("C.".hashCode()); // 2123  
	}

    public static void choose(String str) {  
        switch (str) {  
            case "BM": {  
                System.out.println("h");  
                break;  
            }  
            case "C.": {  
                System.out.println("w");  
                break;  
            }  
        }  
    }  
}

会被编译器转换为：

3.7 switch 枚举

• switch 枚举的例子，原始代码：

enum Sex {  
    MALE, FEMALE;  
}

public class Candy7 {  
    public static void foo(Sex sex) {  
        switch (sex) {  
            case MALE:  
                System.out.println("男"); break;  
            case FEMALE:  
                System.out.println("女"); break;  
        }  
    }  
}

• 转换后代码：

public class Candy7 {
    /**
     * 定义一个合成类（仅 jvm 使用，对我们不可见）
     * 用来映射枚举的 ordinal 与数组元素的关系
     * 枚举的 ordinal 表示枚举对象的序号，从 0 开始
     * 即 MALE 的 ordinal()=0，FEMALE 的 ordinal()=1
     */
    static class $MAP {
        // 数组大小即为枚举元素个数，里面存储case用来对比的数字
        static int[] map = new int[2];
        static {
            map[Sex.MALE.ordinal()] = 1;
            map[Sex.FEMALE.ordinal()] = 2;
        }
    }
    
    public static void foo(Sex sex) {
        int x = $MAP.map[sex.ordinal()];
        switch (x) {
            case 1:
                System.out.println("男");
                break;
            case 2:
                System.out.println("女");
                break;
        }
    }
}

3.8 枚举类

• JDK 7 新增了枚举类，以前面的性别枚举为例

enum Sex {  
    MALE, FEMALE;  
}

• 转换后代码：

public final class Sex extends Enum<Sex> {

    public static final Sex MALE;
    public static final Sex FEMALE;
    private static final Sex[] $VALUES;

    static {
        MALE = new Sex("MALE", 0);
        FEMALE = new Sex("FEMALE", 1);
        $VALUES = new Sex[]{MALE, FEMALE};
    }

    /**
     * Sole constructor. Programmers cannot invoke this constructor.
     * It is for use by code emitted by the compiler in response to
     * enum type declarations.
     *
     * @param name - The name of this enum constant, which is the identifier
     * used to declare it.
     * @param ordinal - The ordinal of this enumeration constant (its position
     * in the enum declaration, where the initial constant is assigned
     */
    private Sex(String name, int ordinal) {
        super(name, ordinal);
    }

    public static Sex[] values() {
        return $VALUES.clone();
    }

    public static Sex valueOf(String name) {
        return Enum.valueOf(Sex.class, name);
    }
}

3.9 try-with-resources

• DK 7 开始新增了对需要关闭的资源处理的特殊语法 try-with-resources：
• 简化资源关闭

try(资源变量 = 创建资源对象){ 

} catch( ) { 

}

• 其中资源对象需要实现 AutoCloseable 接口，例如 InputStream 、 OutputStream 、 Connection 、 Statement 、 ResultSet 等接口都实现了 AutoCloseable ，使用 try-with- resources 可以不用写 finally 语句块，编译器会帮助生成关闭资源代码，例如：

public class Candy9 {  
    public static void main(String[] args) {  
        try (InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt")) {  
            System.out.println(is);  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
        }  
    }  
}

• 会被转换为：

public class Candy9 {

    public Candy9() {
    }

    public static void main(String[] args) {
        try {
            InputStream is = new FileInputStream("d:\\1.txt");
            Throwable t = null;
            try {
                System.out.println(is);
            } catch (Throwable e1) {
                // t 是我们代码出现的异常
                t = e1; // 暂存异常！！！！！！！！！！！！！！！！！！
                throw e1;
            } finally { // 一定执行finally
                // 判断了资源不为空
                if (is != null) {
                    // 如果我们代码有异常
                    if (t != null) {
                        try {
                            is.close();
                        } catch (Throwable e2) {
                            // 如果 close 出现异常，作为被压制异常添加
                            t.addSuppressed(e2);
                        }
                    } else {
                        // 如果我们代码没有异常，close 出现的异常就是最后 catch 块中的 e
                        is.close();
                    }
                }
            }
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

• 为什么要设计一个 addSuppressed(Throwable e) （添加被压制异常）的方法呢？是为了防止异常信 息的丢失（想想 try-with-resources 生成的 fianlly 中如果抛出了异常）：

public class Test6 {
    public static void main(String[] args) {
        try (MyResource resource = new MyResource()) {
            int i = 1 / 0;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

class MyResource implements AutoCloseable {
    public void close() throws Exception {
        throw new Exception("close 异常");
    }
}

• 输出：
  • 外层除零异常 ArithmeticException
  • 内存压制 关闭异常 Exception（人为添加）

java.lang.ArithmeticException: / by zero
	at Test6.main(Test6.java:4)
	Suppressed: java.lang.Exception: close 异常
		at MyResource.close(Test6.java:14)
		at Test6.main(Test6.java:5)

3.10 方法重写时的桥接方法

• 我们都知道，方法重写时对返回值分两种情况：
  • 父子类的返回值完全一致
  • 子类返回值可以是父类返回值的子类（比较绕口，见下面的例子）

class A {
    public Number m() {
        return 1;
    }
}

class B extends A {
    @Override
    // 子类 m 方法的返回值是 Integer 是父类 m 方法返回值 Number 的子类
    public Integer m() {
        return 2;
    }
}

• 对于子类，java 编译器会做如下处理：
  • synthetic：表示此方法由编译器生成，对程序员不可见
  • bridge：表示这是一个桥接方法，用于连接泛型/协变类型

class A {
    public Number m() {
        return 1;
    }
}

class B extends A {
    // 这是我们编写的协变返回类型方法
    public Integer m() {
        return 2;
    }
    
    // 这是编译器生成的桥接方法（synthetic + bridge）
    public synthetic bridge Number m() {
        // 调用我们编写的 public Integer m() 方法
        return m();  // 这里调用的是上面的 Integer m()
    }
}

• 其中桥接方法比较特殊，仅对 java 虚拟机可见，并且与原来的 public Integer m() 没有命名冲突，可以 用下面反射代码来验证：

for (Method m : B.class.getDeclaredMethods()) { 
	System.out.println(m); 
}

• 会输出：

public java.lang.Integer test.candy.B.m() 
public java.lang.Number test.candy.B.m()

3.11 匿名内部类

• 源代码：

public class Candy11 {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok");
            }
        };
    }
}

• 转换后代码：

// 额外生成的类 
final class Candy11$1 implements Runnable { 
	Candy11$1() { 
	} 
	public void run() { 
	System.out.println("ok"); 
	} 
} 

public class Candy11 { 
	public static void main(String[] args) { 
		Runnable runnable = new Candy11$1(); 
	} 
}

• 引用局部变量的匿名内部类 ，源代码：
• final int x

public class Candy11 {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("ok:" + x);
            }
        };
    }
}

• 转换后代码：
  • 类声明变量 val$x
  • 构造函数赋值

// 额外生成的类
final class Candy11$1 implements Runnable {
    int val$x;
    
    Candy11$1(int x) {
        this.val$x = x;
    }
    
    public void run() {
        System.out.println("ok:" + this.val$x);
    }
}

public class Candy11 {
    public static void test(final int x) {
        Runnable runnable = new Candy11$1(x);
    }
}

注意
这同时解释了为什么匿名内部类引用局部变量时，局部变量必须是 final 的：因为在创建 Candy11$1 对象时，将 x 的值赋值给了 Candy11$1 对象的 val$x 属性，所以 x 不应该再发生变 化了，如果变化，那么 val$x 属性没有机会再跟着一起变化

4. 类加载阶段

4.1 加载

• 将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：
  • _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴 露给 java 使用
  • _super 即父类
  • _fields 即成员变量
  • _methods 即方法
  • _constants 即常量池
  • _class_loader 即类加载器
  • _vtable 虚方法表
  • _itable 接口方法表
• 如果这个类还有父类没有加载，先加载父类
• 加载和链接可能是交替运行的

  注意

• instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror 是存储在堆中
• 可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看
  

4.2 链接

验证

• 验证类是否符合 JVM规范，安全性检查
• 用 UE 等支持二进制的编辑器修改 HelloWorld.class 的魔数，在控制台运行
  

准备

• 为 static 变量分配空间，设置默认值
  • static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
  • static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
  • 如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
    • 顺序： 准备阶段->编译阶段->赋值阶段->初始化阶段
  • 如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

解析

• 将常量池中的符号引用解析为直接引用

/**  
 * 解析的含义  
 */  
public class Load2 {  
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {  
        ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();  
        Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");  
        // new C();  
        System.in.read();  
    }  
}  
  
class C {  
    D d = new D();  
}  
  
class D {  
  
}

4.3 初始化

<cinit>()V 方法

• 初始化即调用 <cinit>()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全

发生的时机

• 概括得说，类初始化是【懒惰的】
• 会导致类初始化的情况：
  1. main 方法所在的类，总会被首先初始化
  2. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
  3. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
  4. 子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
  5. Class.forName
  6. new 会导致初始化
• 不会导致类初始化的情况
  1. 访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
  2. 类对象.class 不会触发初始化
  3. 创建该类的数组不会触发初始化
  4. 类加载器的 loadClass 方法
  5. Class.forName 的参数 2 为 false 时

验证

• 父类初始化在子类之前

public class Load3 {  
    static {  
        System.out.println("main init");  
    }  
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {  
//        // 1. 静态常量不会触发初始化  
        System.out.println(B.b); // 不会输出 “b init”//        
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化  
        System.out.println(B.class);  
//        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化  
        System.out.println(new B[0]);  
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A  
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  
        cl.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.B");  
//        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A  
        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();  
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.B", false, c2);  
  
//        System.in.read();  
  
  
//        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时  
        System.out.println(A.a);  
//        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发  
        System.out.println(B.c);  
//        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化  
        System.out.println(B.a);  
//        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.B");  
    }  
}  
  
class A {  
    static int a = 0;  
    static {  
        System.out.println("a init");  
    }  
}  
  
class B extends A {  
    final static double b = 5.0;  
    static boolean c = false;  
    static {  
        System.out.println("b init");  
    }  
}

4.4 练习

• 从字节码分析，使用 a，b，c 这三个常量是否会导致 E 初始化
  • 不会 不会 会
  • E.c 会触发 init E
  • 原因：调用Integer.valueOf(20)包装类

public class Load4 {  
    public static void main(String[] args) {  
        System.out.println(E.a);  
        System.out.println(E.b);  
        System.out.println(E.c); // init E ; 20  
  
    }  
}  
  
class E {  
    public static final int a = 10;  
    public static final String b = "hello";  
    public static final Integer c = 20;  // Integer.valueOf(20)  
    static {  
        System.out.println("init E");  
    }

• 典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式
• 以下的实现特点是：
  • 懒惰实例化
  • 初始化时的线程安全是有保障的

class Singleton {  
  
    public static void test() {  
        System.out.println("test");  
    }  
  
    private Singleton() {  
    }  
  
    private static class LazyHolder {  
        private static final Singleton SINGLETON = new Singleton();  
  
        static {  
            System.out.println("lazy holder init");  
        }  
    }  
  
    public static Singleton getInstance() {  
        return LazyHolder.SINGLETON;  
    }  
}

5. 类加载器

以 JDK 8 为例：

5.1 启动类加载器

• 用 Bootstrap 类加载器加载类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;  
  
public class F {  
    static {  
        System.out.println("bootstrap F init");  
    }  
}

• 执行：

package cn.itcast.jvm.t3.load;  
  
public class Load5_1 {  
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {  
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");  
        System.out.println(aClass.getClassLoader()); // AppClassLoader  ExtClassLoader  
    }  
}

• 输出：
• 打印的null
• 说明是启动类加载器（由C++实现，java无法访问）

E:\git\jvm\out\production\jvm>java -Xbootclasspath/a:. cn.itcast.jvm.t3.load.Load5_1
bootstrap F init 
null

• -Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath
• 其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后
• 可以用这个办法替换核心类
  • java -Xbootclasspath:<new bootclasspath>
  • java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
  • java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

5.2 扩展类加载器

package cn.itcast.jvm.t3.load;  
  
public class G {  
    static {  
        System.out.println("classpath G init");  
    }  
}

• 执行

package cn.itcast.jvm.t3.load;  
  
/**  
 * 演示 扩展类加载器  
 * 在 C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_91 下有一个 my.jar  
 * 里面也有一个 G 的类，观察到底是哪个类被加载了  
 */  
public class Load5_2 {  
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {  
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");  
        System.out.println(aClass.getClassLoader());  
    }  
}

输出：

classpath G init 
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

写一个同名的类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;  
  
public class G {  
    static {  
		System.out.println("ext G init");  
    }  
}

打个 jar 包：

• 将 jar 包拷贝到 JAVA_HOME/jre/lib/ext
• 重新执行 Load5_2
• 输出

ext G init 
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44

5.3 双亲委派模式(重点)

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则

注意
这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

/**
 * 类加载的核心方法，遵循双亲委派模型
 * @param name 类的全限定名
 * @param resolve 是否在加载时进行解析
 * @return 加载后的Class对象
 * @throws ClassNotFoundException 如果类找不到
 */
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    // 使用同步锁确保线程安全的类加载
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 首先检查该类是否已经被当前类加载器加载过
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime(); // 记录开始时间
            
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 如果存在父加载器，优先委托给父加载器加载（双亲委派）
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有父加载器（到达顶层），委托给启动类加载器(BootstrapClassLoader)
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // 父加载器找不到类，忽略异常，继续向下尝试
            }
            
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime(); // 记录父加载器查找结束时间
                
                // 4. 如果父加载器都找不到，调用自身的findClass方法尝试加载
                c = findClass(name);
                
                // 5. 性能统计：记录父加载器委托时间和查找时间
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        
        // 如果需要解析，进行链接阶段的解析
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        
        return c;
    }
}

debug

1. 开始是 AppClassLoader
   • Parent 是 Ext
     
2. 递归执行，接着是 扩展类架子器ExtClassLoader
   
3. 最终在类路径下找到
   

执行流程为：

1. sun.misc.Launcher$AppClassLoader //1 处， 开始查看已加载的类，结果没有
2. sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 2 处，委派上级
   sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()
3. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 1 处，查看已加载的类，结果没有
4. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader 查找
5. BootstrapClassLoader 是在 JAVA_HOME/jre/lib 下找 H 这个类，显然没有
6. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 4 处，调用自己的 findClass 方法，是在 JAVA_HOME/jre/lib/ext 下找 H 这个类，显然没有，回到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 的 // 2 处
7. 继续执行到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 4 处，调用它自己的 findClass 方法，在 classpath 下查找，找到了

5.4 线程上下文类加载器

• 我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写 Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")
• 也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？
• 让我们追踪一下源码：

public class DriverManager {
    
    // 使用线程安全的CopyOnWriteArrayList来存储注册的驱动信息
    private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers = new CopyOnWriteArrayList<>();
    
    // 静态初始化块 - 在类加载时执行
    static {
        loadInitialDrivers();  // 加载初始驱动程序
        println("JDBC DriverManager initialized");  // 输出日志
    }
    

• 先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器
• System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());
  打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，但 JAVA_HOME/jre/lib 下显然没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar 包，这样问题来了，在 DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 com.mysql.jdbc.Driver 呢？
  继续看 loadInitialDrivers() 方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        // 1. 从系统属性获取驱动配置
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
                return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
        drivers = null;
    }
    
    // 2. 使用ServiceLoader机制加载驱动（SPI方式）
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try {
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();  // 关键：触发驱动注册
                }
            } catch(Throwable t) {
                // 忽略异常，继续加载其他驱动
            }
            return null;
        }
    });
    
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
    
    // 3. 加载通过系统属性指定的驱动（传统方式）
    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
        return;
    }
    
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            // 使用应用程序类加载器加载驱动类
            // 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器
            Class.forName(aDriver, true, ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
            println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        }
    }
}

• 先看 3）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此 可以顺利完成类加载
• 再看 2）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）
  • SPI（Service Provider Interface）是Java提供的一种服务发现机制。它允许框架或库定义接口，而具体的实现由第三方提供，框架自动发现并加载这些实现。
  • 核心思想：面向接口编程 + 配置文件发现= 解耦的实现
• 约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称
  
  这样就可以使用:

ServiceLoader<接口类型> allImpls = ServiceLoader.load(接口类型.class); 
Iterator<接口类型> iter = allImpls.iterator(); 
while(iter.hasNext()) { 
	iter.next(); 
}

来得到实现类，体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

• JDBC Servlet
• 初始化器
• Spring 容器
• Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

接着看 ServiceLoader.load 方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) { 
	// 获取线程上下文类加载器 
	ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); 
	return ServiceLoader.load(service, cl); 
}

• 线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由 Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类 LazyIterator 中：

private S nextService() {
    // 1. 检查是否有更多服务
    if (!hasNextService()) {
        throw new NoSuchElementException();
    }
    
    // 2. 获取配置文件中下一行的类名
    String cn = nextName;
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    
    try {
        // 3. 使用指定的类加载器加载类（不进行初始化）
        c = Class.forName(cn, false, loader);
    } catch (ClassNotFoundException x) {
        // 4. 类找不到时的错误处理
        fail(service, "Provider " + cn + " not found");
    }
    
    // 5. 检查加载的类是否实现了指定的服务接口
    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
    }
    
    try {
        // 6. 实例化服务提供者并缓存
        S p = service.cast(c.newInstance());
        providers.put(cn, p);
        return p;
    } catch (Throwable x) {
        // 7. 实例化失败的错误处理
        fail(service, "Provider " + cn + " could not be instantiated", x);
    }
    throw new Error(); // 这行代码实际上不会执行到
}

5.5 自定义类加载器

问问自己，什么时候需要自定义类加载器

• 1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
• 2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
• 3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

1. 继承 ClassLoader 父类
2. 要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法
   • 注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
3. 读取类文件的字节码
4. 调用父类的 defineClass 方法来加载类
5. 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法

示例： 准备好两个类文件放入 E:\myclasspath，它实现了 java.util.Map 接口，可以先反编译看一下：

• 只有类加载器和被加载的类相同时， 两个类才算相等

public class Load7 {  
    public static void main(String[] args) throws Exception {  
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();  
        Class<?> c1 = classLoader.loadClass("MapImpl1");  
        Class<?> c2 = classLoader.loadClass("MapImpl1");  
        System.out.println(c1 == c2);  // true
  
        MyClassLoader classLoader2 = new MyClassLoader();  
        Class<?> c3 = classLoader2.loadClass("MapImpl1");  
        System.out.println(c1 == c3);  // false
  
        c1.newInstance();  
    }  
}  
  
class MyClassLoader extends ClassLoader {  
  
    @Override // name 就是类名称  
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {  
        String path = "e:\\myclasspath\\" + name + ".class";  
  
        try {  
            ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream();  
            Files.copy(Paths.get(path), os);  
  
            // 得到字节数组  
            byte[] bytes = os.toByteArray();  
  
            // byte[] -> *.class  
            return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);  
  
        } catch (IOException e) {  
            e.printStackTrace();  
            throw new ClassNotFoundException("类文件未找到", e);  
        }  
    }  
}

6. 运行期优化

6.1 即时编译

分层编译

（TieredCompilation）
先来个例子

public class JIT1 {  
  
    // -XX:+PrintCompilation -XX:-DoEscapeAnalysis  
    public static void main(String[] args) {  
        for (int i = 0; i < 200; i++) {  
            long start = System.nanoTime();  
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {  
                new Object();  
            }  
            long end = System.nanoTime();  
            System.out.printf("%d\t%d\n",i,(end - start));  
        }  
    }  
}

输出：

0	51625
1	30667
2	29375
3	33500
4	23542
5	27792
6	25834
7	23084
8	26709
9	25042
10	22375
11	26334
12	27667
13	28292
14	28334
15	26208
16	24458
17	49209
18	54041
19	22666
20	24708
21	27125
22	24416
23	27084
24	28250
25	27500
26	25709
27	50709
28	29917
29	29959
30	27166
31	27375
32	24583
33	27125
34	29208
35	26709
36	87667
37	23417
38	22084
39	24208
40	26000
41	22000
42	26250
43	25416
44	27042
45	21875
46	22583
47	21458
48	27292
49	26084
50	25958
51	25417
52	24458
53	24125
54	23334
55	22750
56	24667
57	26333
58	23417
59	23792
60	22667
61	26458
62	24291
63	25416
64	26250
65	5416
66	3292
67	2958
68	2959
69	2958
70	5833
71	3250
72	3000
73	3084
74	3000
75	2917
76	2875
77	3000
78	3292
79	2959
80	3167
81	3125
82	3375
83	3875
84	3208
85	3042
86	4208
87	3042
88	3208
89	3041
90	2959
91	2959
92	3083
93	3208
94	3500
95	3291
96	3209
97	3292
98	3000
99	9667
100	7791
101	7375
102	10083
103	3458
104	3209
105	3167
106	3083
107	3125
108	3166
109	3334
110	3250
111	3417
112	3458
113	3208
114	2916
115	2042
116	4041
117	3042
118	2958
119	3500
120	2958
121	9375
122	8084
123	18583
124	8708
125	8291
126	6833
127	56917
128	12250
129	292
130	292
131	292
132	291
133	250
134	292
135	291
136	250
137	250
138	250
139	250
140	250
141	292
142	292
143	250
144	291
145	250
146	250
147	292
148	250
149	250
150	292
151	292
152	291
153	250
154	250
155	292
156	250
157	375
158	375
159	250
160	250
161	250
162	250
163	250
164	292
165	250
166	250
167	250
168	250
169	292
170	291
171	292
172	291
173	291
174	250
175	250
176	250
177	250
178	250
179	250
180	250
181	250
182	250
183	250
184	250
185	250
186	250
187	292
188	250
189	250
190	375
191	292
192	416
193	458
194	500
195	541
196	458
197	541
198	500
199	417

进程已结束，退出代码为 0

原因是什么呢？
JVM 将执行状态分成了 5 个层次：

• 0 层，解释执行（Interpreter）
• 1 层，使用 C1 即时编译器编译执行（不带 profiling）
• 2 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带基本的 profiling）
• 3 层，使用 C1 即时编译器编译执行（带完全的 profiling）
• 4 层，使用 C2 即时编译器编译执行

  profiling 是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如【方法的调用次数】，【循环的 回边次数】等

即时编译器（JIT）与解释器的区别

• 解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
• JIT 是将一些字节码编译为机器码，并存入 Code Cache，下次遇到相同的代码，直接执行，无需 再编译
• 解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
• JIT 会根据平台类型，生成平台特定的机器码
  对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运 行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速 度。 执行效率上简单比较一下 Interpreter < C1 < C2，总的目标是发现热点代码（hotspot名称的由 来），优化之

刚才的一种优化手段称之为【逃逸分析】，发现新建的对象是否逃逸。可以使用 -XX:- DoEscapeAnalysis 关闭逃逸分析，再运行刚才的示例观察结果

方法内联(Inlining)

private static int square(final int i) { 
	return i * i; 
}

System.out.println(square(9));
如果发现 square 是热点方法，并且长度不太长时，会进行内联，所谓的内联就是把方法内代码拷贝、 粘贴到调用者的位置：
System.out.println(9 * 9);
还能够进行常量折叠（constant folding）的优化:
System.out.println(81);
实验：

public class JIT2 {  
    // -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining -XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square  
    // -XX:+PrintCompilation  
    public static void main(String[] args) {  
  
        int x = 0;  
        for (int i = 0; i < 500; i++) {  
            long start = System.nanoTime();  
            for (int j = 0; j < 1000; j++) {  
                x = square(9);  
            }  
            long end = System.nanoTime();  
            System.out.printf("%d\t%d\t%d\n", i, x, (end - start));  
        }  
    }  
  
    private static int square(final int i) {  
        return i * i;  
    }  
}

• 时间优化结果：
  
  
• 不使用内联： -XX:CompileCommand=dontinline,*JIT2.square
• 查看内联信息： -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:+PrintInlining

字段优化

JMH 基准测试请参考：http://openjdk.java.net/projects/code-tools/jmh/
创建 maven 工程，添加依赖如下

<dependencies>  
    <dependency>  
        <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>  
        <artifactId>jmh-core</artifactId>  
        <version>${jmh.version}</version>  
    </dependency>  
    <dependency>  
        <groupId>org.openjdk.jmh</groupId>  
        <artifactId>jmh-generator-annprocess</artifactId>  
        <version>${jmh.version}</version>  
        <scope>provided</scope>  
    </dependency>  
</dependencies>

编写基准测试代码：

• 两次热身
• 五次测试

@Warmup(iterations = 2, time = 1)  
@Measurement(iterations = 5, time = 1)  
@State(Scope.Benchmark)  
public class Benchmark1 {  
  
    int[] elements = randomInts(1_000);  
  
    private static int[] randomInts(int size) {  
        Random random = ThreadLocalRandom.current();  
        int[] values = new int[size];  
        for (int i = 0; i < size; i++) {  
            values[i] = random.nextInt();  
        }  
        return values;  
    }  
  
    // 对比用  
    @Benchmark  
    public void test1() {  
        for (int i = 0; i < elements.length; i++) {  
            doSum(elements[i]);  
        }  
    }  
  
    @Benchmark  
    public void test2() {  
        int[] local = this.elements;  
        for (int i = 0; i < local.length; i++) {  
            doSum(local[i]);  
        }  
    }  
  
    @Benchmark  
    public void test3() {  
        for (int element : elements) {  
            doSum(element);  
        }  
    }  
  
    static int sum = 0;  
  
    // 是否内联  
    @CompilerControl(CompilerControl.Mode.INLINE)  
    static void doSum(int x) {  
        sum += x;  
    }  
  
  
    public static void main(String[] args) throws RunnerException {  
        Options opt = new OptionsBuilder()  
                .include(Benchmark1.class.getSimpleName())  
                .forks(1)  
                .build();  
  
        new Runner(opt).run();  
    }  
}

首先启用 doSum 的方法内联，测试结果如下（每秒吞吐量，分数越高的更好）：

# Run complete. Total time: 00:00:27

Benchmark              Mode  Samples        Score  Score error  Units
t.Benchmark1.test1    thrpt        5  4104390.098   641146.446  ops/s
t.Benchmark1.test2    thrpt        5  4155007.471    29959.433  ops/s
t.Benchmark1.test3    thrpt        5  4128636.382    71688.235  ops/s

接下来禁用 doSum 方法内联：@CompilerControl(CompilerControl.Mode.DONT_INLINE)

# Run complete. Total time: 00:00:27

Benchmark              Mode  Samples       Score  Score error  Units
t.Benchmark1.test1    thrpt        5  737220.063   129071.082  ops/s
t.Benchmark1.test2    thrpt        5  992335.480     2088.221  ops/s
t.Benchmark1.test3    thrpt        5  912910.471   679427.277  ops/s

分析：

• 在刚才的示例中，doSum 方法是否内联会影响 elements 成员变量读取的优化：
• 如果 doSum 方法内联了，刚才的 test1 方法会被优化成下面的样子（伪代码）：
• elements.length 首次读取会缓存起来 -> int[] local

@Benchmark public void test1() { 
	// elements.length 首次读取会缓存起来 -> int[] local 
	for (int i = 0; i < elements.length; i++) { // 后续 999 次 求长度 <- local 
	sum += elements[i]; // 1000 次取下标 i 的元素 <- local 
	} 
}

• 可以节省 1999 次 Field 读取操作
• 但如果 doSum 方法没有内联，则不会进行上面的优化
  • test1 虚拟机优化 相当于运行期间优化
  • test2 手动优化
  • test3 和test2编译后一样，相当于编译期间优化

6.2 反射优化

public class Reflect1 {  
  
    public static void foo() {  
        System.out.println("foo...");  
    }  
  
    public static void main(String[] args) throws NoSuchMethodException, InvocationTargetException, IllegalAccessException, IOException {  
        Method foo = Reflect1.class.getMethod("foo");  
        for (int i = 0; i <= 16; i++) {  
            System.out.printf("%d\t", i);  
            foo.invoke(null);  
        }  
        System.in.read();  
    }  
}

• 本地方法访问器-> 运行期间动态生成的心的访问器

• foo.invoke 前面 0 ~ 15 次调用使用的是 MethodAccessor 的 NativeMethodAccessorImpl 实现

package sun.reflect;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import sun.reflect.misc.ReflectUtil;

/**
 * 本地方法访问器实现 - 初始使用JNI本地调用，超过阈值后动态生成字节码优化
 */
class NativeMethodAccessorImpl extends MethodAccessorImpl {
    private final Method method;
    private DelegatingMethodAccessorImpl parent;
    private int numInvocations;  // 调用次数计数器
    
    // 膨胀阈值，默认15次（第16次开始优化）
    private static final int inflationThreshold = 15;

    NativeMethodAccessorImpl(Method method) {
        this.method = method;
    }

    /**
     * 方法调用入口 - 实现调用次数统计和动态优化
     */
    public Object invoke(Object target, Object[] args) 
        throws IllegalArgumentException, InvocationTargetException {
        
        // inflationThreshold 膨胀阈值，默认 15
        if (++this.numInvocations > inflationThreshold() 
            && !ReflectUtil.isVMAnonymousClass(this.method.getDeclaringClass())) {
            
            // 使用 ASM 动态生成的新实现代替本地实现，速度较本地实现快 20 倍左右
            MethodAccessorImpl generatedMethodAccessor = 
                (MethodAccessorImpl) (new MethodAccessorGenerator())
                .generateMethod(
                    this.method.getDeclaringClass(),
                    this.method.getName(),
                    this.method.getParameterTypes(),
                    this.method.getReturnType(),
                    this.method.getExceptionTypes(),
                    this.method.getModifiers()
                );
            
            // 替换委托实现
            this.parent.setDelegate(generatedMethodAccessor);
        }
        
        // 调用本地JNI实现
        return invoke0(this.method, target, args);
    }

    void setParent(DelegatingMethodAccessorImpl parent) {
        this.parent = parent;
    }
    
    /**
     * 获取膨胀阈值
     */
    private static int inflationThreshold() {
        return ReflectionFactory.inflationThreshold;
    }

    /**
     * JNI本地方法调用
     */
    private static native Object invoke0(Method method, Object target, Object[] args);
}

当调用到第 16 次（从0开始算）时，会采用运行时生成的类代替掉最初的实现，可以通过 debug 得到 类名为 sun.reflect.GeneratedMethodAccessor1

可以使用阿里的 arthas 工具：

java -jar arthas-boot.jar 
[INFO] arthas-boot version: 3.1.1 
[INFO] Found existing java process, please choose one and hit RETURN. 
* [1]: 13065 cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1

再输入【jad + 类名】来进行反编译：

/*
 * Decompiled with CFR 0_132.
 * 
 * Could not load the following classes:
 *  cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1
 */
package sun.reflect;

import cn.itcast.jvm.t3.reflect.Reflect1;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import sun.reflect.MethodAccessorImpl;

/**
 * 动态生成的反射优化类 - 由MethodAccessorGenerator在运行时生成
 * 类加载器路径：+-sun.reflect.DelegatingClassLoader@15db9742
 *              +-sun.misc.Launcher$AppClassLoader@4e0e2f2a  
 *              +-sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@2fdb006e
 */
public class GeneratedMethodAccessor1 extends MethodAccessorImpl {
    
    /**
     * 优化后的反射调用方法 - 直接调用目标方法，避免反射开销
     */
    public Object invoke(Object object, Object[] arrobject) 
        throws InvocationTargetException {
        
        // 参数校验：如果有参数，抛非法参数异常
        block4: {
            if (arrobject == null || arrobject.length == 0) 
                break block4;
            throw new IllegalArgumentException();
        }
        
        try {
            // 直接调用目标方法，完全避免了反射开销！😱
            Reflect1.foo();
            
            // 因为目标方法没有返回值，所以返回null
            return null;
            
        } catch (Throwable throwable) {
            throw new InvocationTargetException(throwable);
        } catch (ClassCastException | NullPointerException runtimeException) {
            throw new IllegalArgumentException(Object.super.toString());
        }
    }
}

注意
通过查看 ReflectionFactory 源码可知

• un.reflect.noInflation 可以用来禁用膨胀（直接生成 GeneratedMethodAccessor1，但首 次生成比较耗时，如果仅反射调用一次，不划算）
• sun.reflect.inflationThreshold 可以修改膨胀阈值