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HelloWorld程序是每一个Java程序员都知道的程序。它很简单，但是小事物却包含着大道理，它可以帮助我们更深入的去理解Java中一些更复杂的原理。在这篇文章中，我将向大家说明我们能从这个简单程序中学到什么知识。如果你能从HelloWorld中体会到更多东西，请留言告知。

public class HelloWorld {
    /**
     * Coder: D瓜哥，http://www.diguage.com/
     */
    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        System.out.println("Hello World");
    }
}

1、为什么一切事物皆从一个类（Class）开始？

Java程序都是从类开始构建的，每一个方法和属性都必须归属在一个类中。这些规定缘于面向对象的特性：每个事物都是一个对象，而对象是类的实例。面向对象的编程语言相比面向过程的编程语言，拥有更多的特性，例如：更好的模块化，更容易扩展等等。

2、为什么这里总有一个main方法？

main方法是这个程序的入口，而且它是一个静态方法。静态方法意味着这个方法是所在类的一部分而不是，该类对象的一部分。

为啥这样呢？为什么我们不将一个非静态方法作为程序的入口呢？

如果一个方法不是静态方法，那么必须先创建一个对象，然后才可以调用这个方法。因为非静态方法必须由一个对象来调用。所以，作为程序的入口，这是不太现实的。因此，程序入口方法是静态的。

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进行初始化。

3、HelloWorld的字节码

为了执行该程序，必须先将Java文件编译成字节码，字节码存放到.class为扩展名的文件。

字节码长什么样子呢？

字节码本身是不易读。如果我们使用十六进制编辑器打开，则它看起来如下图所示：

在上面的字节码中，我们可以看到很多操作码(opcode)（例如：CA、4C等），这些操作码都有一个相对应的助记符（例如：将要在下面例子中出现的aload_0）。这些操作码同样不易读，但是我们可以使用javap命令来查看一个.class文件的助记符形式。

javap -c 可以将类中每个方法的反编译成汇编语言形式，然后打印出来。反编译代码即代表着Java字节码的组成结构。

执行如下命令：

javap -classpath . -c HelloWorld

则在终端的输入如下：

Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld {
  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
}

上面的代码包含了两个方法：一个是默认的构造函数，这个方法是又编译器自动插入的；另外一个则是main方法。

在每个方法里，都有一系列的指令，例如aload_0、invokespecial #1等等。每个指令的作用可以在Java bytecode instruction listings中查找。（译者注：大家也可以看《Java虚拟机规范（Java SE 7中文版）》，电子版下载，纸版书也已经出版）例如，aload_0从局部变量表加载一个 reference 类型值到操作数栈中，getstatic则是获取类的静态字段值。注意紧跟在getstatic指令后面的#2指向运行时常量池。常量池是Java虚拟机（JVM）运行时数据区的一部分。这让我们看一看常量池，可以使用javap -verbose命令来帮助我们查看。

另外，每一个命令都是一个数字开头，例如0、1、4等。在.class文件中，每一个方法都有一个对应的字节码数组。这些数字代表每一个操作码以及参数在数组中的下标。每个操作码有一个字节长，并且指令可以有0个或者多个参数。这就是这些数字不连续的原因。

现在，让我们使用javap -verbose来进一步研究一下这个类。

javap -classpath . -verbose HelloWorld

终端输出如下：

Classfile /Path/to/HelloWorld.class
  Last modified 2014-5-11; size 425 bytes
  MD5 checksum 5a8c1eaa545b07c8b13d206f4328e01b
  Compiled from "HelloWorld.java"
public class HelloWorld
  SourceFile: "HelloWorld.java"
  minor version: 0
  major version: 51
  flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
   #1 = Methodref          #6.#15         //  java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #16.#17        //  java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #18            //  Hello World
   #4 = Methodref          #19.#20        //  java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Class              #21            //  HelloWorld
   #6 = Class              #22            //  java/lang/Object
   #7 = Utf8               <init>
   #8 = Utf8               ()V
   #9 = Utf8               Code
  #10 = Utf8               LineNumberTable
  #11 = Utf8               main
  #12 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #13 = Utf8               SourceFile
  #14 = Utf8               HelloWorld.java
  #15 = NameAndType        #7:#8          //  "<init>":()V
  #16 = Class              #23            //  java/lang/System
  #17 = NameAndType        #24:#25        //  out:Ljava/io/PrintStream;
  #18 = Utf8               Hello World
  #19 = Class              #26            //  java/io/PrintStream
  #20 = NameAndType        #27:#28        //  println:(Ljava/lang/String;)V
  #21 = Utf8               HelloWorld
  #22 = Utf8               java/lang/Object
  #23 = Utf8               java/lang/System
  #24 = Utf8               out
  #25 = Utf8               Ljava/io/PrintStream;
  #26 = Utf8               java/io/PrintStream
  #27 = Utf8               println
  #28 = Utf8               (Ljava/lang/String;)V
{
  public HelloWorld();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0
         1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
         4: return
      LineNumberTable:
        line 1: 0

  public static void main(java.lang.String[]);
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC
    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 7: 0
        line 8: 8
}

该输出与原文有一定的差别。译者猜测可能跟JDK的版本有关。我的JDK版本如下：

java version "1.7.0_55"
Java(TM) SE Runtime Environment (build 1.7.0_55-b13)
Java HotSpot(TM) 64-Bit Server VM (build 24.55-b03, mixed mode)

根据Java虚拟机规范说明：运行时常量池提供了类似传统编程语言的符号表的功能，当然它比一个典型的符号表包含了更多的数据。

在invokespecial #1指令中的#1表示指向常量池中的第一个常量。这个常量是Methodref #6.#15。从这个数字，我们可以递归地得到最终实际的常量。

行号表（LineNumberTable）用于为调试提供信息，用于标示出错指令对应的Java源代码。例如，在Java源代码的第7行对应字节码中的main方法的第0个指令；源代码的第8行对应字节码第8个指令。

如果你想更深入地了解字节码，你可以创建、编译一个更复杂的类来看一看。HelloWorld只是你了解这些的一个小小的开端。

4、Class文件是如何在Java虚拟机中执行的？

最后一个问题，Java虚拟机是如何加载这个类并执行main方法的？

在main方法执行之前，Java虚拟机必须先1）加载（load），2）link（链接），3）初始化（initialize）这个类。1）加载就是将一个二进制形式的类或者接口载入到Java虚拟机中。2）链接将二进制类型的数据转化成Java虚拟机的运行时状态。链接包含三步：校验（verification）、准备（preparation）和解析（Resolution）。校验确保这个类或者接口是结构正确的；准备涉及类或者接口所需内存的分配；解析是将符号应用替换为直接引用。最后，初始化是给变量赋予合适的初始化值。

加载的工作由JavaClassloader来完成。当启动Java虚拟机时，有三个类加载器会被用到：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：加载Java的核心库，这些库存放在/jre/lib目录下。这是Java虚拟机核心的一部分，这部分使用本地代码编写。
• 扩展类加载器（Extensions ClassLoader）：加载在扩展路径中的库。（例如：/jar/lib/ext）
• 系统类加载器（System ClassLoader）：加载在CLASSPATH中发现的代码。

所以，HelloWorld类由系统类加载器来加载。当main方法被执行时，它将触发相关依赖类的加载、链接和初始化，前提是这些依赖的类存在。

最后，main()栈桢加载到到Java虚拟机栈，然后程序计数器（Program Counter，简称PC）开始计数。程序计数器然后指示将println()栈桢加入Java虚拟机栈。当main()方法完成后，它将从Java虚拟机栈弹出，然后执行完成。

D瓜哥在网上看到了一个《Simple Java》（窃译为《简易Java》）文档，主要讲解Java面试题的。感觉不错，所以就翻译过来分享一下。这是第一篇。

参考资料

• 深入理解Java虚拟机
• Java虚拟机规范(Java SE 7版)