吊打面试官(一)-Java程序执行流程详细分析

一个Java程序是如何执行的呢，这个见鬼的问题可以很简单，也可以很复杂。

如果你回答点一下run就执行了，相信面试官会把你当一只鬼。

如果你按照下面这样描述，相信面试官会把你当做一个神。

程序例子如下：

class Rectangle {
int width;
int height;

Rectangle(int w, int h) {
width = w;
height = h;
}

int getArea() {
return width * height;
}
}

public class Main {
public static void main(String[] args) {
Rectangle rect = new Rectangle(5, 10);
int area = rect.getArea();

if (area > 50) {
System.out.println("面积大于 50");
} else {
System.out.println("面积小于或等于 50");
}
}
}

按照执行时间顺序，程序经历了如下步骤：

1.程序启动：

从用户输入命令开始，操作系统接收请求并为Java进程分配资源，包括虚拟内存和创建进程控制块。JVM启动引导程序，加载基础Java类，初始化JVM内存区域，并启动类加载器。

操作系统步骤：

o 用户在命令行输入`java Main`或通过 IDE 触发程序运行。

o 操作系统内核接收启动新进程的请求。

o 为 Java 进程分配一个独立的虚拟内存空间，大小根据进程需求和系统配置而定。

o 初始化进程控制块（PCB），其中包含进程的状态、优先级、程序计数器等信息。

o 从磁盘加载 Java 可执行文件（`java.exe`或`java`命令对应的二进制文件）到内存。

o 将 CPU 的执行权交给 Java 进程，开始执行入口点代码。

JVM 处理步骤：

o JVM 启动引导程序（Bootstrap ClassLoader），从核心类库路径加载基础的 Java 类，如`java.lang.Object`。

o 初始化 JVM 内存区域：

o 方法区：分配内存用于存储类的元数据，包括类的结构信息、常量池、字段和方法数据等。

o 堆：为对象实例分配内存的区域，初始大小根据配置而定，后续可根据需要进行扩展。

o 栈：每个线程都有一个独立的栈，用于存储方法调用和局部变量。初始化主栈，为`main`方法准备栈帧。

o 程序计数器：设置为指向`main`方法的第一条指令的地址。

o 本地方法栈：用于执行本地方法（Native Method）。

o 启动类加载器，准备加载应用程序的类。

2.加载类

JVM通过类加载器加载需要的类，如Rectangle类和Main类，进行字节码验证，存储元数据信息，并为这些类分配内存。

JVM 处理步骤：

o 类加载器按照双亲委派模型，首先尝试从父类加载器加载`Rectangle`类。

o 若父类加载器未找到，则当前类加载器读取`Rectangle.class`字节码文件到内存缓冲区。

o 对字节码进行验证：

o 检查魔数（特定的文件标识）是否正确。

o 验证版本号是否符合当前 JVM 要求。

o 检查常量池中的常量是否合法。

o 验证字段和方法表的结构和访问权限。 o 将类的元数据信息存储到方法区：

o 类名、父类名、接口列表。

o 字段信息：名称、类型、访问修饰符等。

o 方法信息：名称、参数列表、返回类型、字节码指令等。

o 对`Main`类进行同样的加载和验证过程。

内存处理步骤：

o 在方法区中为`Rectangle`类和`Main`类分别分配一块连续的内存空间，大小根据类的元数据大小而定。

3.执行`main`方法

创建新的栈帧以执行main方法，初始化局部变量，指向第一条指令，并开始执行方法体内的代码。

JVM 处理步骤：

o 在 Java 栈中为`main`方法创建一个新的栈帧。

o 为局部变量表分配空间，初始化局部变量`rect`和`area`为默认值（`null`和 0）。

o 将程序计数器设置为指向`main`方法的第一条指令的地址。

CPU 执行步骤：

o CPU 从内存中读取`new Rectangle(5, 10)`指令到指令寄存器。

o 控制单元解码指令，确定操作类型为对象创建和构造函数调用，并获取操作数（5 和 10）。o 执行`new`指令的操作：

o 计算对象所需内存大小，在堆中分配内存空间。

o 初始化对象的头部信息，包括类的元数据指针、锁状态等。

4.创建`Rectangle`对象

当遇到new关键字时，JVM会为新对象分配内存空间，在堆中存储字段值和对象头信息，并执行构造函数。

JVM 处理步骤：

o 执行`new`指令，在堆中为新对象分配足够的内存空间来存储字段`width`、`height`和对象头信息。

o 将对象的引用地址存储到局部变量`rect`中。

o 调用构造函数`Rectangle(int w, int h)`，将参数值传递给对应的字段。

内存处理步骤：

o 在堆内存中按照对象的结构存储字段值，`width`为 5，`height`为 10，同时存储对象头信息（如类的元数据指针、锁状态等）。

CPU 执行步骤：

o 执行赋值指令，将参数 5 写入堆中对象`width`字段对应的内存位置。

o 执行赋值指令，将参数 10 写入堆中对象`height`字段对应的内存位置。

5.调用`getArea`方法

对于像`getArea`这样的实例方法，JVM会创建新的栈帧，执行方法体中的指令，并将结果返回给调用者。

JVM 处理步骤：

o 在栈中为`getArea`方法创建新的栈帧，分配局部变量表空间。

o 将`this`引用（指向刚创建的`Rectangle`对象）压入栈帧的局部变量表。

o 将程序计数器设置为指向`getArea`方法的第一条指令。

CPU 执行步骤：

o CPU 从内存中读取`getArea`方法的字节码指令到指令寄存器。

o 解码并执行乘法运算指令，将`width`和`height`字段的值相乘，得到面积值。

o 将结果存储到局部变量`area`中，并将值返回给`main`方法的栈帧。

6.条件判断执行

根据计算的结果进行条件判断，通过CPU指令执行。

CPU 执行步骤：

o CPU 从内存中读取比较指令`area > 50`及其操作数到指令寄存器。

o 解码比较指令，执行比较操作，将`area`的值（50）与 50 进行比较。

o 根据比较结果设置相应的标志位（如零标志位、符号标志位等）。

7.输出相应结果

通过系统调用输出信息到控制台。JVM 处理步骤：o 根据条件判断的结果，确定要执行的`System.out.println`语句。o 查找`System.out`对象的引用，并调用其`println`方法。操作系统步骤：o JVM 向操作系统发起系统调用请求，传递要输出的字符串参数。o 操作系统接收请求，将字符串传递给终端驱动程序，最终显示在控制台窗口。CPU 执行步骤：o 执行与系统调用相关的指令，包括参数传递、中断处理等。

8.程序结束

当`main`方法所有指令执行完毕后，JVM会弹出栈帧，进行垃圾回收，销毁类加载器及相关资源，而操作系统则负责回收进程占用的资源，并最终终止进程。

JVM 处理步骤：

o 执行完`main`方法的所有指令，弹出`main`方法的栈帧。

o 检查堆中是否有未被引用的对象，进行垃圾回收，释放内存。

o 销毁类加载器和相关资源。

操作系统步骤：

o 回收 Java 进程占用的全部内存空间、关闭文件描述符等资源。

o 将进程状态设置为终止，并从进程列表中移除。

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