Java 字节码
Java 字节码是 JVM 执行的指令表示，由编译器连同类型信息一起写入 Class 文件。本文先用一个乘法方法说明源码怎样编译，再介绍 Class 结构、指令和方法描述符。最后说明字节码验证、版本兼容与运行时执行的关系。
1. 面试核心
先记住这几条，再读正文- 源码编译。
javac完成语法与类型检查，并将泛型擦除、语法糖展开后的程序写入与处理器无关的 Class 文件。卡 · javac 编译 - Class 文件。 Class 文件保存版本、常量池、字段、方法和属性，方法的字节码使用局部变量表与操作数栈计算。
- 方法类型信息。 方法描述符记录擦除后的参数与返回类型，泛型信息可保存在 Signature 属性中。
- 产物检查。
javap -v -c -p可检查常量池、描述符和字节码。卡 · Class 文件的结构 - 目标版本兼容。
javac --release 8同时约束语言、Class 版本和可用平台 API。卡 · Class 版本与目标平台
2. javac 编译
javac 把合法的 Java 源码转换为 JVM 可读取的 Class 文件。下面编译一个乘法方法，再用 javap 查看生成的指令：
public final class Price {
public static int total(int unitPrice, int quantity) {
return unitPrice * quantity;
}
}
javac Price.java
javap -c -p Price.class
编译成功后，会得到 Price.class。javac 在这个过程中解析语法、检查类型，并处理泛型擦除、装箱调用和语法糖展开。编译器还会折叠部分常量表达式，也就是提前算出编译时已能确定的结果。
同一个源文件可以产生多个 Class 文件。比如，成员类、匿名类和编译器生成的辅助类型都能产生额外文件，所以文件数量与源码文件数量并非一一对应。
Class 中保存的是 JVM 指令与类型信息，因此产物与具体处理器无关。CPU 最终执行的是机器码，JVM 负责解释这些指令，或把热点方法编译为当前平台的机器码。
3. Class 文件的结构
Class 文件既保存指令，也保存 JVM 理解这些指令所需的类型信息。查看文件时，可以按以下Class 文件结构阅读：
- 文件以魔数
0xCAFEBABE开始，用于识别 Class 格式。后面的 minor、major 分别记录次版本和主版本。 - 常量池保存字符串等常量，以及类、字段和方法的符号引用。符号引用用名称与描述符说明要访问的目标。
- 类型信息记录访问标志、当前类、父类和接口，再列出字段与方法。
- 属性补充代码、调试和验证所需的信息。方法的 Code 属性包含字节码与异常表，还用
max_stack、max_locals记录操作数栈和局部变量表容量。
Code 属性还能包含行号表和栈映射帧等信息。行号表把指令位置对应到源码行，栈映射帧描述特定位置的局部变量和操作数栈类型，供验证使用。abstract 和 native 方法没有 Code 属性，因为 Class 文件中没有它们的 Java 字节码实现。
符号引用会在解析时关联到运行时目标。下面的命令可以查看这些结构：
javap -v Price.class
该命令可查看版本、常量池和属性。-p 进一步显示所有可见级别的成员。
4. 操作数栈与局部变量表
JVM 指令通过局部变量表读取参数，用操作数栈保存计算过程中的值。Price.total 的核心字节码如下：
iload_0
iload_1
imul
ireturn
iload_0 和 iload_1 从局部变量表读取两个参数，依次压入操作数栈。接着，imul 弹出这两个整数，相乘后把乘积压回栈顶。ireturn 再弹出乘积并返回，因此整个方法得到的就是单价乘数量。
每次方法调用都有自己的栈帧，局部变量表和操作数栈都属于这个栈帧。
栈帧槽位与共享范围见 JVM 运行时数据区域。
5. 方法描述符
方法描述符记录参数类型与返回类型，供 JVM 匹配方法。下面的方法签名片段接收 long 参数，返回 List<String>：
List<String> find(long userId)
擦除后的描述符为：
(J)Ljava/util/List;
描述符的括号内是参数，括号后是返回类型。这里的 J 表示 long，L...; 表示引用类型，所以描述符保留的是 long 到 List 的类型关系。
泛型擦除后，方法调用按这个描述符匹配。String 这样的泛型信息可保存在 Signature 属性中，供反射等工具读取。桥接方法、装箱和增强 for 也经过编译转换，具体生成什么结构，应通过 Class 文件确认。
5.1 方法调用指令
知道方法的参数与返回类型后，还要区分怎样找到要执行的方法。不同调用指令负责不同的查找和分派方式：
| 指令 | 主要用途 |
|---|---|
invokestatic | 调用静态方法 |
invokevirtual | 按接收者类型进行虚方法调用 |
invokeinterface | 通过接口类型调用方法 |
invokespecial | 构造器、父类调用等特殊调用 |
invokedynamic | 通过 bootstrap method 链接动态调用点 |
表中的接收者就是调用实例方法的对象，虚方法分派会根据它的实际类型选择实现。bootstrap method 称为引导方法，负责为 invokedynamic 建立调用点，也就是确定这条动态调用指令怎样执行。
从 JDK 9 开始，javac 可用 invokedynamic 实现字符串拼接，Lambda 也可使用这条指令。具体语法生成何种指令，要以目标 JDK 的编译产物为准。JIT 将方法内联后，会把方法体并入调用处，最终机器码中也就可以省去独立调用。
6. 字节码验证
Class 文件来自外部输入，JVM 需要确认其中的指令能安全地执行。读取和链接时，JVM 会检查文件格式、类型约束、指令操作数与控制流。非法操作数或不兼容类型会导致验证失败，避免非法字节码破坏运行时状态。
除了 javac，Kotlin、Scala 等语言的编译器也能生成 Class 文件。字节码工具还可以在编译后修改类，所以 JVM 要自己验证收到的产物。
验证过程见 类加载。
6.1 Class 版本与目标平台
Class 与处理器无关，但运行它的 JVM 仍需支持对应版本。旧 JVM 遇到过新的 Class 版本，会抛出 UnsupportedClassVersionError。比如，Java 8 的 major 为 52，Java 17 为 61。
为旧平台编译时，可以用 --release 同时约束语言、Class 版本和平台 API：
javac --release 8 Price.java
javap -v Price.class
在支持该目标的 JDK 上，输出 major version 为 52。--release 8 也限制源码语法和 Java 8 平台 API。
只用 -source 8 -target 8，平台 API 仍可来自编译 JDK。误用新增 API 后，旧环境运行会出现链接错误。第三方依赖也要满足目标版本要求。
7. 字节码执行
Class 文件交给 JVM 后，还需要创建运行时类型，再执行其中的方法。类加载器先找到字节并定义类型，JVM 完成验证、准备等链接工作，再按使用条件触发初始化。解析可以延迟到实际需要符号引用时进行，详见 类加载。
HotSpot 可以先解释字节码，收集方法调用频率、实际对象类型等运行信息，再将热点方法编译为机器码。这些运行信息称为运行时画像。执行层级与循环执行中的编译切换见 分层编译。
如果优化依赖的假设失效，已编译代码还会去优化，回到能够正确执行的较低层级。原理见 方法内联与去优化。
所以，Java 源码先编译成字节码，运行时又能结合解释执行与即时编译。两种执行方式共同支持同一份程序。
8. 常见问题
源码、Class 文件和最终机器码属于不同阶段。区分这三个阶段，就能理解下面的编译与性能差异。
8.1 javac 与 JIT
javac 在程序运行前生成可交给 JVM 的 Class 文件，提供可移植的编译产物。JIT 则在程序运行时利用调用与类型画像，生成当前平台的机器码，用这些实际运行信息优化热点代码。
8.2 反编译结果与源码
反编译器根据 Class 文件重建近似源码。此时泛型擦除、桥接方法生成、装箱调用插入和语法糖转换已经发生。因此，重建结果会保留编译后的结构，原来的变量名与书写方式未必能够恢复。
8.3 字节码与实际性能
相同字节码可以产生不同的机器码和运行表现。JDK 版本、JVM 实现、运行参数、实际输入和硬件都会影响优化。它们也会改变解释执行、内联和垃圾回收的开销，所以性能要在目标环境测量。
9 · 面试题卡片
9.1 Java 程序从源码到运行经历了哪些过程
出现公司：去哪儿、字节跳动
考察重点：区分源码编译、类加载与运行时执行，说明字节码与机器码的关系，以及解释器和 JIT 怎样配合。
参考回答
Java 程序先由 javac 编译为 Class 文件，再由 JVM 加载、链接并执行。
javac 完成语法和类型检查，生成与处理器无关的字节码。JVM 根据 Class 字节创建运行时类型，完成验证与准备，再按使用条件触发初始化，解析可以延迟。HotSpot 解释字节码并收集运行时画像，再把热点代码编译为当前平台的机器码。
优化假设失效时，已编译代码还会去优化。整个过程把源语言检查、运行时类型创建和热点优化分开，CPU 最终执行的是机器码。
9.2 怎样确认一段 Java 语法最终生成了什么
出现公司：京东数科
考察重点：用一致的编译参数和 javap 检查泛型擦除、桥接方法与调用指令，并区分编译产物和运行时优化。
相关内容：Class 文件的结构、方法描述符。
参考回答
用相同 JDK 和编译参数生成 Class 文件，再运行 javap -v -c -p 查看实际产物。
输出包含版本、常量池、描述符、属性和指令，可以据此确认泛型擦除或语法糖的编译结果。若要继续确认运行时加载了哪个类、方法是否内联，还需结合类加载日志、JIT 日志或 JFR 记录。字节码只描述编译产物，后续优化要通过运行时证据判断。
9.3 为什么编译给 Java 8 使用时，应选 --release 8？
出现公司：暂无已核验的公开来源（本站自测）
考察重点：解释 Class 版本与平台 API 是两项兼容要求，说明 --release 怎样同时约束它们。
相关内容：Class 版本与目标平台。
参考回答
--release 8 同时限定 Java 8 语法、Class 版本和 Java 8 平台 API。
单独设置 -source 8 -target 8 时，编译器仍可读取当前 JDK 的新 API。这样生成的 Class 虽然能被 Java 8 读取，调用旧平台缺少的方法时却会链接失败。--release 8 能在编译时发现这类平台 API 误用，第三方依赖的目标版本仍需单独检查。
9.4 invokevirtual、invokespecial 与 invokedynamic 各负责什么？
出现公司：暂无已核验的公开来源（本站自测）
考察重点：说明三条指令各怎样确定调用目标，并解释引导方法在动态链接中的作用。
相关内容：方法调用指令。
参考回答
invokevirtual 按对象的实际类型分派虚方法，invokespecial 处理构造器和父类等特殊调用。
invokedynamic 则让引导方法建立调用点。
前两者按各自的规则选择方法，后者把调用点的链接交给引导方法，因此可用于 Lambda 和字符串拼接。调用点确定后，JIT 仍可继续内联和优化，最终机器码中未必保留独立调用。