英文原文链接，译文链接，原文作者：James Bloom，译者：有孚
明白Java代码是如何编译成字节码并在JVM上运行的非常重要，这有助于理解程序运行的时候究竟发生了些什么。理解这点不仅能搞清语言特性是如何实现的，并且在做方案讨论的时候能清楚相应的副作用及权衡利弊。
本文介绍了Java代码是如何编译成字节码并在JVM上执行的。想了解JVM的内部结构以及字节码运行时用到的各个内存区域，可以看下我前面的一篇关于JVM内部细节的文章。
本文分为三部分，每一部分都分成几个小节。每个小节都可以单独阅读，不过由于一些概念是逐步建立起来的，如果你依次阅读完所有章节会更简单一些。每一节都会覆盖到Java代码中的不同结构，并详细介绍了它们是如何编译并执行的。
1. 第一部分， 基础概念
变量
局部变量
JVM是一个基于栈的架构。方法执行的时候（包括main方法），在栈上会分配一个新的帧，这个栈帧包含一组局部变量。这组局部变量包含了方法运行过程中用到的所有变量，包括this引用，所有的方法参数，以及其它局部定义的变量。对于类方法（也就是static方法）来说，方法参数是从第0个位置开始的，而对于实例方法来说，第0个位置上的变量是this指针。
局部变量可以是以下这些类型：
* char
* long
* short
* int
* float
* double
* 引用
* 返回地址
除了long和double类型外，每个变量都只占局部变量区中的一个变量槽(slot)，而long及double会占用两个连续的变量槽，因为这些类型是64位的。
当一个新的变量创建的时候，操作数栈（operand stack）会用来存储这个新变量的值。然后这个变量会存储到局部变量区中对应的位置上。如果这个变量不是基础类型的话，本地变量槽上存的就只是一个引用。这个引用指向堆的里一个对象。
比如：
int i = 5;
编译后就成了
0: bipush 5 2: istore_0
| bipush | 用来将一个字节作为整型数字压入操作数栈中，在这里5就会被压入操作数栈上。 |
| istore_0 |
这是istore_这组指令集（译注：严格来说，这个应该叫做操作码，opcode ,指令是指操作码加上对应的操作数，oprand。 不过操作码一般作为指令的助记符，这里统称为指令）中的一条，这组指令是将一个整型数字存储到本地变量中。 n代表的是局部变量区中的位置，并且只能是0,1,2,3。再多的话只能用另一条指令istore了，这条指令会接受一个操作数，对应的是局部变量区中的位置信息。 |
这条指令执行的时候，内存布局是这样的：
class文件中的每一个方法都会包含一个局部变量表，如果这段代码在一个方法里面的话，你会在类文件的局部变量表中发现如下的一条记录。
LocalVariableTable:
Start Length Slot Name Signature
0 1 1 i I
字段
Java类里面的字段是作为类对象实例的一部分，存储在堆里面的（类变量对应存储在类对象里面）。
关于字段的信息会添加到类文件里的field_info数组里，像下面这样：
ClassFile { u4 magic; u2 minor_version; u2 major_version; u2 constant_pool_count; cp_info contant_pool[constant_pool_count – 1]; u2 access_flags; u2 this_class; u2 super_class; u2 interfaces_count; u2 interfaces[interfaces_count]; u2 fields_count; field_info fields[fields_count]; u2 methods_count; method_info methods[methods_count]; u2 attributes_count; attribute_info attributes[attributes_count]; }
另外，如果变量被初始化了，那么初始化的字节码会加到构造方法里。
下面这段代码编译了之后：
public class SimpleClass { public int simpleField = 100; }
如果你用javap进行反编译，这个被添加到了field_info数组里的字段会多出一段描述信息。
1 public int simpleField; 2 Signature: I 3 flags: ACC_PUBLIC
初始化变量的字节码会被加到构造方法里，像下面这样：
1 public SimpleClass(); 2 Signature: ()V 3 flags: ACC_PUBLIC 4 Code: 5 stack=2, locals=1, args_size=1 6 0: aload_0 7 1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V 8 4: aload_0 9 5: bipush 100 10 7: putfield #2 // Field simpleField:I 11 10: return
| aload_0 |
从局部变量数组中加载一个对象引用到操作数栈的栈顶。尽管这段代码看起来没有构造方法， 但是在编译器生成的默认的构造方法里，就会包含这段初始化的代码。第一个局部变量正好是this引用， 于是aload_0把this引用压到操作数栈中。aload_0是aload_指令集中的一条，这组指令会将引用加载到操作数栈中。 n对应的是局部变量数组中的位置，并且也只能是0,1,2,3。还有类似的加载指令，它们加载的并不是对象引用， 比如iload_,lload_,fload_,和dload_, 这里i代表int,l代表long,f代表float,d代表double。 局部变量的在数组中的位置大于3的，得通过iload,lload,fload,dload,和aload进行加载， 这些指令都接受一个操作数，它代表的是要加载的局部变量的在数组中的位置。 |
| invokespecial |
这条指令可以用来调用对象实例的构造方法，私有方法和父类中的方法。 它是方法调用指令集中的一条，其它的还有invokedynamic, invokeinterface, invokespecial, invokestatic, invokevirtual. 这里的invokespecial指令调用的是父类也就是java.lang.Object的构造方法。 |
| bipush | 它是用来把一个字节作为整型压到操作数栈中的，在这里100会被压到操作数栈里。 |
| putfield |
它接受一个操作数，这个操作数引用的是运行时常量池里的一个字段，在这里这个字段是simpleField。 赋给这个字段的值，以及包含这个字段的对象引用，在执行这条指令的时候，都 会从操作数栈顶上pop出来。 前面的aload_0指令已经把包含这个字段的对象压到操作数栈上了，而后面的bipush又把100压到栈里。 最后putfield指令会将这两个值从栈顶弹出。执行完的结果就是这个对象的simpleField这个字段的值更新成了100。 |
上述代码执行的时候内存里面是这样的：
这里的putfield指令的操作数引用的是常量池里的第二个位置。JVM会为每个类型维护一个常量池，
运行时的数据结构有点类似一个符号表，尽管它包含的信息更多。Java中的字节码操作需要对应的数据，
但通常这些数据都太大了，存储在字节码里不适合，它们会被存储在常量池里面，
而字节码包含一个常量池里的引用 。当类文件生成的时候，其中的一块就是常量池：
1 Constant pool: 2 #1 = Methodref #4.#16 // java/lang/Object."<init>":()V 3 #2 = Fieldref #3.#17 // SimpleClass.simpleField:I 4 #3 = Class #13 // SimpleClass 5 #4 = Class #19 // java/lang/Object 6 #5 = Utf8 simpleField 7 #6 = Utf8 I 8 #7 = Utf8 <init> 9 #8 = Utf8 ()V 10 #9 = Utf8 Code 11 #10 = Utf8 LineNumberTable 12 #11 = Utf8 LocalVariableTable 13 #12 = Utf8 this 14 #13 = Utf8 SimpleClass 15 #14 = Utf8 SourceFile 16 #15 = Utf8 SimpleClass.java 17 #16 = NameAndType #7:#8 // "<init>":()V 18 #17 = NameAndType #5:#6 // simpleField:I 19 #18 = Utf8 LSimpleClass; 20 #19 = Utf8 java/lang/Object
常量字段（类常量）
带有final标记的常量字段在class文件里会被标记成ACC_FINAL.
比如
1 public class SimpleClass { 2 3 public final int simpleField = 100; 4 5 }
字段的描述信息会标记成ACC_FINAL:
1 public static final int simpleField = 100; 2 Signature: I 3 flags: ACC_PUBLIC, ACC_FINAL 4 ConstantValue: int 100
对应的初始化代码并不变：
1 4: aload_0 2 5: bipush 100 3 7: putfield #2 // Field simpleField:I
静态变量
带有static修饰符的静态变量则会被标记成ACC_STATIC：
1 public static int simpleField; 2 Signature: I 3 flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
不过在实例的构造方法中却再也找不到对应的初始化代码了。
因为static变量会在类的构造方法中进行初始化，并且它用的是putstatic指令而不是putfiled。
1 static {}; 2 Signature: ()V 3 flags: ACC_STATIC 4 Code: 5 stack=1, locals=0, args_size=0 6 0: bipush 100 7 2: putstatic #2 // Field simpleField:I 8 5: return
未完待续。
本文最早发表于本人个人博客:Java译站