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[Java教程]【Simple Java】深入理解“HelloWorld”小程序


对于每个Java程序员来说,HelloWorld是一个再熟悉不过的程序。它很简单,但是这段简单的代码能指引我们去深入理解一些复杂的概念。这篇文章,我将探索我们能从这段简单的代码中学到什么。如果你觉得HelloWorld对你来说很有意义,请留下你的评论。

HelloWorld.java

public class HelloWorld {  /**   * @param args   */  public static void main(String[] args) {    System.out.println("Hello World");  }}

为什么所有东西都是从类开始的

Java程序是基于类构建的,每一个方法,字段必须存在于类里面。这是因为Java是面向对象的:一切都是对象,即一个类的实例。相对于函数式编程,面向对象编程有很多优势,如更加模块化,可扩展性更好等。

为什么总是需要有一个“main”方法

main方法是静态方法,程序的入口;静态方法意味着这个方法是属于类,而不是对象。

那为什么是这样呢?为什么不使用非静态方法作为程序的入口呢?

如果这个方法是非静态的,那么在使用这个方法之前需要先创建对象,因为非静态方法需要由对象来调用。作为一个程序的入口,这样的设计是不现实的。在没有鸡的情况下,我们不能获取鸡蛋。因此,程序入口被设置为静态方法。

另外,main方法的入参"String[] args"表明一个字符串数组可以传入该方法用于执行程序的初始化工作。

HelloWorld的字节码

为了运行这个程序,Java文件首先被编译成字节码存入一个.class文件。那么这个字节码文件是怎样的呢?字节码本身是不易读的,我们使用十六进制编辑器打开它,结果如下:

从上面的字节码,我们看到了很多操作码(如CA, 4C,),它们中的每一个都对应着一个助记码(如下面例子中的aload_0),操作码是不易读的,但是我们可以使用javap去查看.class文件的助记符形式。

"javap -c"可以打印类中每个方法的反汇编代码,反汇编代码即一些指令,这些指定组成了java的字节码。

javap -classpath . -c HelloWorld

public class HelloWorld extends java.lang.Object{public HelloWorld(); Code:  0: aload_0  1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V  4: returnpublic static void main(java.lang.String[]); Code:  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}

以上代码包含了两个方法,一个是构造方法,由编译器自动插入;另一个是main方法。

在每个方法的下面,都有一系列的指令,如aload_0,invokespecial #1等。每个指定对应的含义可以查看Java字节码指令列表。举个例子,aload_0加载栈中局部变量的引用,getstatic获取类中的静态字段值。注意getstatic后面的"#2",其指向运行时常量池,常量池是Java运行时数据区域。因此,使用"javap -verbose"命令,可以帮助我们查看常量池。

另外,每条指令的前面都有一个数字,如0,1,4等。在字节码文件中,每一个方法都有对应的字节码数组。这些数字对应的正是数组的索引,这些数组存放了操作码和对应参数。每个操作码长度为一个字节,可以有0或多个参数,这就是为什么这些数字不是连续的。

现在,我们可以使用"javap -verbose"命令深入看下这个类:

javap -classpath . -verbose HelloWorld

public class HelloWorld extends java.lang.ObjectSourceFile: "HelloWorld.java"minor version: 0major version: 50Constant pool:const #1 = Method #6.#15; // java/lang/Object."<init>":()Vconst #2 = Field #16.#17; // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;const #3 = String #18; // Hello Worldconst #4 = Method #19.#20; //java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)Vconst #5 = class #21; // HelloWorldconst #6 = class #22; // java/lang/Objectconst #7 = Asciz <init>;const #8 = Asciz ()V;const #9 = Asciz Code;const #10 = Asciz LineNumberTable;const #11 = Asciz main;const #12 = Asciz ([Ljava/lang/String;)V;const #13 = Asciz SourceFile;const #14 = Asciz HelloWorld.java;const #15 = NameAndType #7:#8;// "<init>":()Vconst #16 = class #23; // java/lang/Systemconst #17 = NameAndType #24:#25;// out:Ljava/io/PrintStream;const #18 = Asciz Hello World;const #19 = class #26; // java/io/PrintStreamconst #20 = NameAndType #27:#28;// println:(Ljava/lang/String;)Vconst #21 = Asciz HelloWorld;const #22 = Asciz java/lang/Object;const #23 = Asciz java/lang/System;const #24 = Asciz out;const #25 = Asciz Ljava/io/PrintStream;;const #26 = Asciz java/io/PrintStream;const #27 = Asciz println;const #28 = Asciz (Ljava/lang/String;)V;{public HelloWorld();Code:Stack=1, Locals=1, Args_size=10: aload_01: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V4: returnLineNumberTable:line 2: 0public static void main(java.lang.String[]);Code:Stack=2, Locals=1, Args_size=10: getstatic #2; //Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;3: ldc #3; //String Hello World5: invokevirtual #4; //Methodjava/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V8: returnLineNumberTable:line 9: 0line 10: 8}

JVM规范中是这样描述的:

运行时常量池是为方法服务的,类似于常规程序设计语言中的符号表,但是常量池包含的数据比典型的符号表范围较广。

"invokespecial #1"指令中的"#1"指向常量池中的#1常量,即"Method #6.#15;",根据这些数字,我们可以递归的得到最终常量。行号表可以方便调试人员知道Java源代码中的哪些行对应字节码中的哪些指令。如,Java源代码中的第9行对应main方法中的code 0,第10行对应code 8。

如果你想要知道更多关于字节码的内容,可以尝试创建一个更加复杂的类,并编译查看。相对而言,HelloWorld太简单了。

HelloWorld在JVM中是如何运行的

现在的问题是JVM如何装载Java类以及如何调用main方法?

在main方法执行之前,JVM需要完成以下步骤,

  • 装载:装载类或接口的字节码到JVM中
  • 链接:将Java类的二进制代码合并到JVM的运行状态之中的进程,包含3个步骤(验证:确保类或接口结构正确、准备:涉及内存分配相关、解析:解决符号引用)
  • 初始化:为类的变量初始化合适的值;

加载步骤是由Java类加载器完成的,在JVM启动的时候,使用了三个类加载器:

  • 引导类加载器:加载/jre/lib下的Java核心类库,这些类是Java的核心,使用本地代码编写。
  • 扩展类加载器:加载扩展目录下的代码(如/jar/lib/ext目录)
  • 系统类加载器:加载CLASSPATH下的代码

所以HelloWorld是由系统类加载器加载的,当main方法执行之前,会触发加载,链接,初始化其它依赖类操作。

最终,main方法帧 被push到JVM栈中,程序计数器开始做相应操作,将println方法帧push到JVM栈中,当main方法执行完毕,栈中对应的数据被弹出,然后执行完毕。

 

译文链接:http://www.programcreek.com/2013/04/what-can-you-learn-from-a-java-helloworld-program/