本篇文章为你整理了jvm造轮子（jvm zgc）的详细内容，包含有java轮子是什么意思 jvm zgc jvm juc jvm工具 jvm造轮子，希望能帮助你了解 jvm造轮子。
博客内容来源于 刘欣老师的课程，刘欣老师的公众号 码农翻身
博客内容来源于 Java虚拟机规范（JavaSE7）
博客内容的源码https://gitee.com/zumengjie/litejvm
阅读此博客请配合源码食用。
ClassLoader
Class
MethodArea
ExecutorEngine
StackFrame
ExecutionResult
Heap
ClassLoader
ClassLoader就是根据类名去classpath路径上找到Class文件然后解析Class文件形成Class类对象。
package com.datang.litejvm.loader;
import com.datang.litejvm.clz.Class;
import org.apache.commons.io.IOUtils;
import org.apache.commons.lang3.StringUtils;
import java.io.*;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public byte[] readBinaryCode(String className) {
className = className.replace(., File.separatorChar) + ".class";
for (String path : this.clzPaths) {
String clzFileName = path + File.separatorChar + className;
byte[] codes = loadClassFile(clzFileName);
if (codes != null) {
return codes;
return null;
* @author: 顶风少年
* @Description: 根据类路径读取class文件
* @date: 21:54 2022/6/8
private byte[] loadClassFile(String clzFileName) {
File f = new File(clzFileName);
try {
return IOUtils.toByteArray(new FileInputStream(f));
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return null;
* @author: 顶风少年
* @Description: 解析class文件形成Class对象,在这里是形成ClassFile对象
* @date: 13:55 2022/6/10
public Class loadClass(String className) {
byte[] codes = this.readBinaryCode(className);
ClassParser parser = new ClassParser();
return parser.parse(codes);
}
View Code
Class
首先我们对一个已经编译完成的class文件进行解析，解析的过程就是读取每一个字节，然后了解其结构以及含义，将其解析为一个Class类。使用javap -v xxx.class命令可以查看该class的结构。
Class字节码文件的内容十分紧凑，首先是魔数，小版本号，大版本号，常量池，类访问权限，类，父类，父接口，字段列表，方法列表。常量池占了大部分的字节码文件，其余的部分很多都会引用常量池项。
解析Class文件就是读取固定长度的字节，魔数为4个字节，小版本号2个字节，大版本号两个字节。接下来的常量池稍微复杂，两个字节标记了常量池项的总个数，其中每一个常量池项都有对应的数据结构。需要先读取1个字节判断它的结构，例如tag是1则它是一个CONSTANT_Utf8_info,这是一个最简单的结构，2个字节的长度表示后续字符串的长度，然后再读取对应长度的字节数。常量池项是可以引用常量池项的，例如第7项是一个CONSTANT_Class_info这个结构包含了2个字节的index它指向常量池的第40项目，是Class对应的类名。解析常量池时需要根据tag判断常量池项是什么结构，然后再根据具体的结构读取字节。
接下来是读取2个字节类的访问权限，无论是类，字段，方法都有访问权限，注意访问权限可能有多个，例如类可以是 public final
接下来是2个字节的类名，2个字节的父类名，2个字节的接口个数，每个接口名也是2个字节。
之后是类成员变量也就是字段，2个字节的成员个数，每个字段里包含2个字节的访问权限，2个字节的字段名，2个字节的字段类型，两个字节的的属性个数，这个属性也是有多种结构的，方法里也有，放到方法里说。
字节码文件的最后一部分是方法，2个字节的方法个数，每个方法包含2个字节的访问权限，2个字节的方法名，2个字节的方法签名（入参和返回值）。2个字节的属性个数，每个属性中包含，2个字节的属性名称。在方法中只有一个属性就是Code。
jvm定义的属性有以下结构，字段的属性也在其中。
首先是2个字节的属性名称，根据属性名判断属性。每个属性都有4个字节的属性长度，它标记了接下来的属性内容的字节数。Code属性中包含2个字节的栈深度，2个字节的局部变量表，4个字节的字节码长度，字节码长度为N则表示有N个字节的字节码指令，每个指令1个字节。对于字节码指令需要展开说，每个字节码指令根据其含义的不同可能带有不同的参数，例如bb含义为new对象，bb的后边有2个字节是它的参数，这两个参数指向了常量池中的常量项是需要new的对象类名。
在字节码指令后是2个字节的异常长度，异常的相关的内容，我本次没有解析，只是手动跳过了异常。
Code属性中还包含了2个其他属性。LineNumberTable和LocalVariableTable其一是行号相关，其二是参数列表。
2个字节区分属性的名称，4个字节表示属性内容的长度。LineNumberTable有2个字节的行数，每一行中包含2个字节的起始位，2个字节的行号。
LocalVariableTable有2个字节的参数个数，每个参数有2个字节的起始位，2个字节的长度，2个字节的属性名，2个字节的下标。
以上是Class文件中可以解析出来的内容，当然根据Class的复杂程度，解析出来的内容不同，我这里是最基本的Class属性，将其解析完毕后，形成一个Class类。
package com.datang.litejvm.clz;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantClassInfo;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantPool;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantUTF8Info;
import java.util.Iterator;
import java.util.List;
* @author: 顶风少年
* @Description: Class类
* @date: 13:55 2022/6/10
public class Class {
public void setAccessFlag(ClassAccessFlag classAccessFlag) {
this.classAccessFlag = classAccessFlag;
* @author: 顶风少年
* @Description: 类
* @date: 17:18 2022/6/10
public int getThisClassIndex() {
return thisClassIndex;
public void setThisClassIndex(int thisClassIndex) {
this.thisClassIndex = thisClassIndex;
* @author: 顶风少年
* @Description: 父类
* @date: 17:18 2022/6/10
public int getSuperClassIndex() {
return superClassIndex;
public void setSuperClassIndex(int superClassIndex) {
this.superClassIndex = superClassIndex;
ConstantClassInfo constantClassInfo = (ConstantClassInfo) pool.getConstantInfo(superClassIndex);
this.superClassName = constantClassInfo.getClassName();
public String getSuperClassName() {
return superClassName;
* @author: 顶风少年
* @Description: 接口
* @date: 17:18 2022/6/10
public List Integer getInterfaceIndexList() {
return interfaceIndexList;
public void setInterfaceIndexList(List Integer interfaceIndexList) {
this.interfaceIndexList = interfaceIndexList;
* @author: 顶风少年
* @Description: 属性列表
* @date: 11:22 2022/6/12
public List Field getFieldList() {
return fieldList;
* @author: 顶风少年
* @Description: 属性列表
* @date: 11:22 2022/6/12
public void setFieldList(List Field fieldList) {
this.fieldList = fieldList;
* @author: 顶风少年
* @Description: 方法
* @date: 18:31 2022/6/12
public List Method getMethodList() {
return methodList;
* @author: 顶风少年
* @Description: 方法
* @date: 18:31 2022/6/12
public void setMethodList(List Method methodList) {
this.methodList = methodList;
public Method getMethod(String methodName, String paramAndResultType) {
Method rMethod = null;
Iterator Method iter = methodList.iterator();
while (iter.hasNext()) {
Method method = iter.next();
int nameIndex = method.getNameIndex();
int descriptorIndex = method.getDescriptorIndex();
ConstantUTF8Info nameInfo = (ConstantUTF8Info) pool.getConstantInfo(nameIndex);
ConstantUTF8Info descriptorInfo = (ConstantUTF8Info) pool.getConstantInfo(descriptorIndex);
if (nameInfo.getBytes().equals(methodName) descriptorInfo.getBytes().equals(paramAndResultType)) {
rMethod = method;
return rMethod;
* @author: 顶风少年
* @Description: 查询main方法
* @date: 10:36 2022/6/16
public Method getMainMethod() {
return getMethod("main", "([Ljava/lang/String;)V");
}
View Code
MethodArea
方法区中有个Map它的key是class类名，value是Class对象。使用ClassLoader解析后的Class对象都存在这里。
package com.datang.litejvm.engin;
import com.datang.litejvm.clz.Method;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantFieldRefInfo;
import com.datang.litejvm.constant.ConstantMethodRefInfo;
import com.datang.litejvm.loader.ClassLoader;
import com.datang.litejvm.clz.Class;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
* @author: 顶风少年
* @Description: 方法区
* @date: 10:49 2022/6/16
public class MethodArea {
public static final MethodArea instance = new MethodArea();
* 注意：我们做了极大的简化， ClassLoader 只有一个， 实际JVM中的ClassLoader,是一个双亲委托的模型
private ClassLoader classLoader = null;
* @author: 顶风少年
* @Description: 存放所有的Class
* @date: 10:39 2022/6/16
Map String, Class map = new HashMap String, Class ();
private MethodArea(){
* @author: 顶风少年
* @Description: 单例,获取常量池
* @date: 10:39 2022/6/16
public static MethodArea getInstance(){
return instance;
public void setClassFileLoader(ClassLoader clzLoader){
this.classLoader = clzLoader;
* @author: 顶风少年
* @Description: 获取main方法
* @date: 10:39 2022/6/16
public Method getMainMethod(String className){
Class clz = this.findClass(className);
return clz.getMainMethod();
* @author: 顶风少年
* @Description: 从指定class中 根据名称获取方法
* @date: 22:23 2022/6/16
public Method getMethod(ConstantMethodRefInfo constantMethodRefInfo){
Class aClass = findClass(constantMethodRefInfo.getClassName());
Method method = aClass.getMethod(constantMethodRefInfo.getMethodName(), constantMethodRefInfo.getParamAndResult());
return method;
* @author: 顶风少年
* @Description: 创建Class
* @date: 10:38 2022/6/16
public Class findClass(String className){
if(map.get(className) != null){
return map.get(className);
// 看来该class 文件还没有load过
Class aClass = this.classLoader.loadClass(className);
map.put(className, aClass);
return aClass;
}
View Code
ExecutorEngine
执行引擎中主要有一个栈结构，栈中的每个元素是StackFrame栈帧。执行引擎执行第一步将main方法压入栈中，然后就是执行栈帧。每个栈帧其实就是一个method当方法执行结束后返回ExecutionResult里边封装了该方法是暂存运行其他method还是方法运行结束出栈。如果是运行其他的method则将跳转方法压入栈中，并且传递参数，如果是方法执行结束则将当前方法出栈。执行引擎就是在不断的判断栈内是否还有元素，如果栈为空则表示当前程序执行结束。
package com.datang.litejvm.engin;
import com.datang.litejvm.clz.Method;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;
* @author: 顶风少年
* @Description: 执行引擎
* @date: 15:19 2022/6/16
public class ExecutorEngine {
* @author: 顶风少年
* @Description: 栈
* @date: 15:41 2022/6/16
private Stack StackFrame stack = new Stack StackFrame ();
StackFrame nextFrame = StackFrame.create(nextMethod);
nextFrame.setCallerFrame(frame);
setupFunctionCallParams(frame, nextFrame);
//将新的栈帧也入栈
stack.push(nextFrame);
} else {
//出栈
stack.pop();
* @author: 顶风少年
* @Description: 给下个调用方法设置参数
* @date: 16:07 2022/6/16
private void setupFunctionCallParams(StackFrame currentFrame, StackFrame nextFrame) {
Method nextMethod = nextFrame.getMethod();
//获取参数列表
List String parameterList = nextMethod.getParameterList();
List JavaObject values = new ArrayList ();
//要添加 this
int paramNum = parameterList.size() + 1;
while (paramNum 0) {
values.add(currentFrame.getOperandStack().pop());
paramNum--;
List JavaObject params = new ArrayList ();
for (int i = values.size() - 1; i i--) {
params.add(values.get(i));
//设置局部变量表
nextFrame.setLocalVariableTable(params);
}
View Code
StackFrame
每个方法入栈都会形成一个StackFrame，栈帧中包含两个数据结构。局部变量表和操作数栈，局部变量表是用来存放方法的入参，方法内的计算结果，操作数栈则是真正运算的地方，我们经常说的 1 + 2 = 3 的操作其实是在操作数栈进行的，先将 1 和 2 压入操作数栈，将 1 和 2 出栈进行运算最后得出的 3 将其再次压入操作数栈。StackFrame执行时就是从method总取出Code属性中的操作指令，一条一条的执行。每条指令执行结束后会对ExecutionResult进行设置。
package com.datang.litejvm.engin;
import com.datang.litejvm.clz.Method;
import com.datang.litejvm.cmd.ByteCodeCommand;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Stack;
* @author: 顶风少年
* @Description: 函数栈帧
* @date: 15:41 2022/6/16
public class StackFrame {
//局部变量表
private List JavaObject localVariableTable = new ArrayList JavaObject ();
//操作数栈
private Stack JavaObject operandStack = new Stack JavaObject ();
//字节码指令偏移量,指向下一个操作指令
int index = 0;
//当前方法
private Method m = null;
//上一个函数栈帧
private StackFrame callerFrame = null;
private StackFrame(Method m) {
this.m = m;
//创建函数栈帧
public static StackFrame create(Method m) {
StackFrame frame = new StackFrame(m);
return frame;
* @author: 顶风少年
* @Description: 上一个函数栈帧
* @date: 16:44 2022/6/16
public StackFrame getCallerFrame() {
return callerFrame;
public void setCallerFrame(StackFrame callerFrame) {
this.callerFrame = callerFrame;
* @author: 顶风少年
* @Description: 栈帧所属方法
* @date: 16:45 2022/6/16
public Method getMethod() {
return m;
* @author: 顶风少年
* @Description: 设置局部变量表
* @date: 16:40 2022/6/16
public void setLocalVariableTable(List JavaObject values) {
this.localVariableTable = values;
* @author: 顶风少年
* @Description: 获取局部变量表中的某个变量
* @date: 10:22 2022/6/17
public JavaObject getLocalVariableValue(int index) {
return this.localVariableTable.get(index);
* @author: 顶风少年
* @Description: 向局部变量表设置值
* @date: 10:38 2022/6/17
public void setLocalVariableValue(int index, JavaObject jo) {
//问题： 为什么要这么做？？
if (this.localVariableTable.size() - 1 index) {
for (int i = this.localVariableTable.size(); i = index; i++) {
this.localVariableTable.add(null);
this.localVariableTable.set(index, jo);
public ExecutionResult execute() {
List ByteCodeCommand cmds = m.getCodeAttr().getCmds();
while (index cmds.size()) {
//执行结果
ExecutionResult result = new ExecutionResult();
//下一条字节码指令
ByteCodeCommand cmd = cmds.get(index);
System.out.println(cmd.toString());
//执行
cmd.execute(this, result);
//运行下一条
if (result.isRunNextCmd()) {
index++;
} else if (result.isExitCurrentFrame()) {
//退出当前栈帧,return 剩余的栈帧不执行了
return result;
} else if (result.isPauseAndRunNewFrame()) {
//暂停当前栈帧,执行新的函数栈帧
index++;
return result;
} else if (result.isJump()) {
//跳转指令,跳转到下一个字节码指令
int offset = result.getNextCmdOffset();
//设置下一个指令的偏移量
this.index = getNextCommandIndex(offset);
} else {
index++;
//如果循环走完了,说明没有任何的跳转,停止,表示当前StackFrame的指令全部执行完毕,可以退出了
ExecutionResult result = new ExecutionResult();
result.setNextAction(ExecutionResult.EXIT_CURRENT_FRAME);
return result;
* @author: 顶风少年
* @Description: 根据偏移量查询字节码指令
* @date: 17:48 2022/6/16
public int getNextCommandIndex(int offset) {
List ByteCodeCommand cmds = m.getCodeAttr().getCmds();
for (int i = 0; i cmds.size(); i++) {
if (cmds.get(i).getOffset() == offset) {
return i;
throw new RuntimeException("Cant find next command");
* @author: 顶风少年
* @Description: 获取操作数栈
* @date: 19:04 2022/6/16
public Stack JavaObject getOperandStack() {
return this.operandStack;
ExecutionResult
操作指令执行结束后会设置ExecutionResult，这个类标记了当前字节码执行后的行为，默认的是RUN_NEXT_CMD继续执行下一条字节码指令，也可能是JUMP跳转到指定的指令号，EXIT_CURRENT_FRAME停止执行，PAUSE_AND_RUN_NEW_FRAME暂存当前栈帧，执行新的栈帧。如果是JUMP或RUN_NEXT_CMD则当前栈帧继续执行。如果是EXIT_CURRENT_FRAME和PAUSE_AND_RUN_NEW_FRAME就要返回到执行引擎层。
package com.datang.litejvm.engin;
import com.datang.litejvm.clz.Method;
* @author: 顶风少年
* @Description: 执行结果
* @date: 17:29 2022/6/16
public class ExecutionResult {
//默认值 执行下一条指令
public static final int RUN_NEXT_CMD = 1;
//跳转指令
public static final int JUMP = 2;
//退出当前栈帧,剩余指令不执行了
public static final int EXIT_CURRENT_FRAME = 3;
//暂停当前栈帧,执行新的函数栈帧
public static final int PAUSE_AND_RUN_NEW_FRAME = 4;
//下一次的行为
private int nextAction = RUN_NEXT_CMD;
//如果是跳转指令 JUMP ,则会记录下一个指令偏移量
private int nextCmdOffset = 0;
//如果是执行新的栈帧 EXIT_CURRENT_FRAME 则需要设置栈帧对应的方法
private Method nextMethod;
* @author: 顶风少年
* @Description: 获取下一个执行的方法
* @date: 17:46 2022/6/16
public Method getNextMethod() {
return nextMethod;
public void setNextMethod(Method nextMethod) {
this.nextMethod = nextMethod;
* @author: 顶风少年
* @Description: 设置字节码执行后的行为, 默认为 RUN_NEXT_CMD 执行下一条指令
* @date: 17:31 2022/6/16
public void setNextAction(int action) {
this.nextAction = action;
* @author: 顶风少年
* @Description: 下一个字节码指令偏移量
* @date: 17:43 2022/6/16
public int getNextCmdOffset() {
return nextCmdOffset;
public void setNextCmdOffset(int nextCmdOffset) {
this.nextCmdOffset = nextCmdOffset;
public boolean isPauseAndRunNewFrame() {
return this.nextAction == PAUSE_AND_RUN_NEW_FRAME;
public boolean isExitCurrentFrame() {
return this.nextAction == EXIT_CURRENT_FRAME;
public boolean isRunNextCmd() {
return this.nextAction == RUN_NEXT_CMD;
public boolean isJump() {
return this.nextAction == JUMP;
}
View Code
Heap
堆这个对象用来模拟创建不同类型的对象，当前可以创建String,int,float，Object。如果创建的Object则还可以给Object设置属性。
package com.datang.litejvm.engin;
* @author: 顶风少年
* @Description: 堆,可以有多种类型,对象,字符串,int float
* @date: 21:02 2022/6/16
public class Heap {
* 没有实现垃圾回收， 所以对于下面新创建的对象， 并没有记录到一个数据结构当中
private static Heap instance = new Heap();
private Heap() {
public static Heap getInstance(){
return instance;
public JavaObject newObject(String clzName){
JavaObject jo = new JavaObject(JavaObject.OBJECT);
jo.setClassName(clzName);
return jo;
public JavaObject newString(String value){
JavaObject jo = new JavaObject(JavaObject.STRING);
jo.setStringValue(value);
return jo;
public JavaObject newFloat(float value){
JavaObject jo = new JavaObject(JavaObject.FLOAT);
jo.setFloatValue(value);
return jo;
public JavaObject newInt(int value){
JavaObject jo = new JavaObject(JavaObject.INT);
jo.setIntValue(value);
return jo;
}
View Code
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