深入理解 Java HelloWorld

HelloWorld是每个Java程序员都知道的程序。它很简单，但是简单的开始可以引导你去深入了解更复杂的东西。这篇文章将探究从这个HelloWorld这个简单程序中可以学到的东西。如果你对HelloWorld有独到的理解，欢迎留下你的评论。

HelloWorld.java

public class HelloWorld {

/**
*
* @param args
*/

public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
System.out.println("Hello World");
}

}

1、为什么一切都是从类开始？

Java程序是从类开始构建的, 每个方法和字段都必须在类里面。这是由于Java面向对象的特性: 一切都是对象，它是类的一个实例。面向对象编程语言相比函数式编程语言有许多的优势，比如更好的模块化、可扩展性等等。

2、为什么总有一个“main方法”？

main方法是程序的入口，并且是静态方法。static关键字意味着这个方法是类的一部分，而不是实例对象的一部分。为什么会这样呢? 为什么我们不用一个非静态的方法作为程序的入口呢？

如果一个方法不是静态的，那么对象需要先被创建好以后才能使用这个方法。因为这个方法必须要在一个对象上调用。对于一个入口来说，这是不现实的。因此，程序的入口方法是静态的。

参数 “String[] args”表明可以将一个字符串数组传递给程序来帮助程序初始化。

3、HelloWorld程序的字节码

为了执行这个程序，Java文件首先被编译成Java字节码存储到.class文件中。那么字节码看起来是什么样的呢？字节码本身是不可读的，如果我们使用一个二进制编辑器打开，它看起来就像下面那样：

在上面的字节码中，我们可以看到很多的操作码（比如CA、4C等等），它们中的每一个都有一个对应的助记码（比如下面例子中的aload_0）。操作码是不可读的，但是可以使用javap来查看.class文件的助记形式。

对于类中的每个方法执行“javap -c”可以输出反汇编代码。反汇编代码即组成Java字节码的指令。

javap -classpath . -c HelloWorld

Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld extends java.lang.Object{
public HelloWorld();
Code:
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return

public 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
}

上面的代码包含两个方法: 一个是编译器推断出来的默认的构造器；另外一个是main方法。

接下来，每个方法都有一系列的指令。比如aload_0、invokespecial #1等等。可以在Java字节码指令集中查到每个指令的功能，例如aload_0用来从局部变量0中加载一个引用到堆栈，getstatic用来获取类的一个静态字段值。可以注意到，getstatic指令之后的“#2″指向的是运行期常量池。常量池是JVM运行时数据区之一。我们可以通过“javap -verbose”命令来查看常量池。

另外, 每个指令从一个数字开始，比如0、1、4等等。在.class文件中，每个方法都有一个对应的字节码数组。这些数字对应于存储每个操作码及其参数的数组的下标。每个操作码都是1个字节长度，并且指令可以有0个或多个参数。这就是为什么这些数字不是连续的原因。

现在，我们使用“javap -verbose”这个命令来进一步观察这个类。

javap -classpath . -verbose HelloWorld

Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld extends java.lang.Object
SourceFile: "HelloWorld.java"
minor version: 0
major version: 50
Constant pool:
const #1 = Method #6.#15; // java/lang/Object."<init>":()V
const #2 = Field #16.#17; // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
const #3 = String #18; // Hello World
const #4 = Method #19.#20; // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
const #5 = class #21; // HelloWorld
const #6 = class #22; // java/lang/Object
const #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>":()V
const #16 = class #23; // java/lang/System
const #17 = NameAndType #24:#25;// out:Ljava/io/PrintStream;
const #18 = Asciz Hello World;
const #19 = class #26; // java/io/PrintStream
const #20 = NameAndType #27:#28;// println:(Ljava/lang/String;)V
const #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=1
0: aload_0
1: invokespecial #1; //Method java/lang/Object."<init>":()V
4: return
LineNumberTable:
line 2: 0


public static void main(java.lang.String[]);
Code:
Stack=2, Locals=1, Args_size=1
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
LineNumberTable:
line 9: 0
line 10: 8
}

引用JVM规范中的描述：运行期常量池提供的功能类似传统编程语言的符号表所起作用, 尽管它比传统的符号表包含的内容更广范。

“invokespecial #1″指令中的“#1″指向常量池中的#1常量。这个常量是 “Method #6.#15;”。通过这个数字，我们可以递归地得到最终的常量。

LineNumberTable为调试器提供了用来指示Java源代码与字节码指令之间的对应信息。例如，Java源代码中的第9行对应于main方法中的字节码0，并且第10行对应于字节码8。

如果想要了解更多关于字节码的内容，可以创建一个更加复杂的类进行编译和查看，HelloWorld真的只是一个开始。

4、HelloWorld在JVM中是如何执行的？

现在的问题是JVM是怎样加载这个类并调用main方法？

在main方法执行之前, JVM需要加载、链接以及初始化这个类。

加载将类/接口的二进制形式装入JVM中。
链接将二进制类型的数据融入到JVM的运行时。链接由3个步骤组成：验证、准备、以及解析（可选）。验证确保类、接口在结构上是正确的；准备涉及到为类、接口分配所需要的内存；解析是解析符号引用。
最后，初始化为类变量分配正确的初始值。

加载工作是由Java类加载器来完成的。当JVM启动时，会使用下面三个类加载器：

Bootstrap类加载器：加载位于/jre/lib目录下的核心Java类库。它是JVM核心的一部分，并且使用本地代码编写。
扩展类加载器：加载扩展目录中的代码（比如/jar/lib/ext）。
系统类加载器：加载在CLASSPATH上的代码。

所以，HelloWorld类是由系统加载器加载的。当main方法执行时，它会触发加载其它依赖的类，进行链接和初始化。前提是它们已经存在。

最后，main()帧被压入JVM堆栈，并且程序计数器（PC）也进行了相应的设置。然后，PC指示将println()帧压入JVM堆栈栈顶。当main()方法执行完毕会被弹出堆栈，至此执行过程就结束了。

参考文档

加载
http://docs.oracle.com/javase/tutorial/ext/basics/load.html
类加载机制
http://www2.sys-con.com/itsg/virtualcd/java/archives/0808/chaudhri/index.html
类加载器
https://en.wikipedia.org/wiki/Java_Classloader

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