程序员从宏观、微观角度浅析JVM虚拟机！

 1.问题

1. JAVA文本文件如何被翻译成CLASS二进制文件?
2. 如何理解CLASS文件的组成结构?
3. 虚拟机如何加载使用类文件的生命周期?
4. 虚拟机系列诊断工具如何使用?
5. 虚拟机内存淘汰机制?
6. 虚拟机指令集架构?

2.关键词

编译，魔数，常量池，字面量，数据表，堆栈，方法区，程序计数器，内存引用，内存溢出，垃圾回收器，新生区，永久区，指令集

3.全文概要

本文将从宏观及微观角度来介绍类文件结构、虚拟机加载类文件机制，类文件生命周期及字节码加载引擎，更加立体的加深对虚拟机工作的认识。

4.CLASS文件结构分析

从我们学习JAVA语言的第一天起，就执行过JAVA/JAVAC命令。JAVAC就是把我们写好的后缀为.java的文本文件编译成后缀为.class的字节码文件。上一章我们介绍代码本质的时候就了解到JAVA语言的语法元素。java文件我们可以通过文本编辑器打开，里面也是我们熟悉的java代码，符合了java语言的语法规范。但是对于class里面的内容，我们要陌生很多。上一章我们知道代码通过编译器翻译成机器指令，那class文件会不会也是java虚拟机翻译成的指令呢?

其实当java文件被编译成class文件后，就跟java语言没什么关系了。指令执行引擎是JVM虚拟机，其他编程语言，比如Scala，Python等都可以编译成class文件，然后放到JVM来执行。这么说来，我们更加有必要探究class文件的本质了。

4.1 CLASS文件示例

我们先从微观的角度来介绍class文件的结构。先写一个简单的java文本文件，然后编译成class文件，来观察class的结构组成。

先定义一个接口文件，Add.java文件如下：

package com.lzh.jvm; 
public interface Add{ 
 int add(int i,int j); 
} 
再写一个接口的实现类AddImpl.java，这个基本包含我们日常经常使用的文件结构： 
package com.lzh.jvm; 
public class AddImpl implements Add{ 
 public static final int TOP = 100; 
 private String point; 
 public int add(int i,int j){ 
 return i + j; 
 } 
} 

由于存在包名定义我们需要建好com/lzh/jvm的文件目录，然后在当前目录先后编译com/lzh/jvm/Add.java文件和com/lzh/jvm/AddImpl.java文件。得到了Add.class文件和AddImpl.class文件。

Add.java二进制文件：

Add.class二进制文件：

AddImpl.java二进制文件：

AddImpl.class二进制文件：

以上四个图是用WinHex二进制编辑工具打开的，左边是文件的二进制编码，右边是ASCII标准编码，所以只能表示英式键盘上的字符，出现中文的话则显示乱码。为了阅读方便，工具展示的是16进制的格式，两个16进制的编码表示一个字节空间(8位)。

直观上我们可以看出来java文件占用的存储空间比class要少很多，这也符合我们上一章介绍的代码翻译过程。本质上计算机并不认识java文件里面的内容，java属于高级语言，里面的语法更为接近人类的语言，但是对于计算机来说全难以理解。所以需要把java文件的内容翻译成jvm认识的文件格式。

高级语言高度抽象了语言元素，翻译为机器指令则要花费更多的“口舌”来指导计算机一步步执行代码语句。下一节我们来解释class文件的结构，从而理解jvm如何理解执行class的内容。

4.2 class文件结构说明

本节我们将以上图给的AddImpl.class为例子来介绍类的结构。从结构上来看，class文件只存放两种类型数据，分别为基础字段和表。

• 基础字段：用于描述数字，引用，数值或字符串的无符号数，类型为u1,u2,u4,u8表示占用字节数
• 表：只有一行的可变列数的表结构，每个字段可以是基础字段或其他表的索引

4.2.1 魔数

用于判断文件类型，通常我们以文件后缀来判别文件类型，但是如果修改后缀就会导致安全问题。class以4个字节的空间作为开端，来标明class的类型，CA FE BA BE表示class类型的文件。

4.2.2 版本数

魔数后面紧接着4个字节表示jdk版本号。

• 次版本号：前两个字段0x0000
• 主版本号：后两个字段0x0035，转换十进制为53，对应jdk1.9

4.2.3 常量池

常量池顾名思义是用于存放字符串常量，字符串常量包含：

• 字面量：字符串，常量
• 引用符合：类/接口全限定名，字段/方法名称和修饰符

（编辑：晋中站长网）

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