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[Java教程]Java提高篇——JVM加载class文件的原理机制


  在面试java工程师的时候,这道题经常被问到,故需特别注意。

1、JVM 简介

  JVM 是我们Javaer 的最基本功底了,刚开始学Java 的时候,一般都是从“Hello World ”开始的,然后会写个复杂点class ,然后再找一些开源框架,比如Spring ,Hibernate 等等,再然后就开发企业级的应用,比如网站、企业内部应用、实时交易系统等等,直到某一天突然发现做的系统咋就这么慢呢,而且时不时还来个内存溢出什么的,今天是交易系统报了StackOverflowError ,明天是网站系统报了个OutOfMemoryError ,这种错误又很难重现,只有分析Javacore 和dump 文件,运气好点还能分析出个结果,运行遭的点,就直接去庙里烧香吧!每天接客户的电话都是战战兢兢的,生怕再出什么幺蛾子了。我想Java 做的久一点的都有这样的经历,那这些问题的最终根结是在哪呢?—— JVM 。

  JVM 全称是Java Virtual Machine ,Java 虚拟机,也就是在计算机上再虚拟一个计算机,这和我们使用 VMWare不一样,那个虚拟的东西你是可以看到的,这个JVM 你是看不到的,它存在内存中。我们知道计算机的基本构成是:运算器、控制器、存储器、输入和输出设备,那这个JVM 也是有这成套的元素,运算器是当然是交给硬件CPU 还处理了,只是为了适应“一次编译,随处运行”的情况,需要做一个翻译动作,于是就用了JVM 自己的命令集,这与汇编的命令集有点类似,每一种汇编命令集针对一个系列的CPU ,比如8086 系列的汇编也是可以用在8088 上的,但是就不能跑在8051 上,而JVM 的命令集则是可以到处运行的,因为JVM 做了翻译,根据不同的CPU ,翻译成不同的机器语言。

  JVM 中我们最需要深入理解的就是它的存储部分,存储?硬盘?NO ,NO , JVM 是一个内存中的虚拟机,那它的存储就是内存了,我们写的所有类、常量、变量、方法都在内存中,这决定着我们程序运行的是否健壮、是否高效,接下来的部分就是重点介绍之。

2、JVM 的组成部分

我们先把JVM 这个虚拟机画出来,如下图所示:

 

从这个图中可以看到,JVM 是运行在操作系统之上的,它与硬件没有直接的交互。我们再来看下JVM 有哪些组成部分,如下图所示:

该图参考了网上广为流传的JVM 构成图,大家看这个图,整个JVM 分为四部分:

## Class Loader 类加载器 

类加载器的作用是加载类文件到内存,比如编写一个HelloWord.java 程序,然后通过javac 编译成class 文件,那怎么才能加载到内存中被执行呢?Class Loader 承担的就是这个责任,那不可能随便建立一个.class 文件就能被加载的,Class Loader 加载的class 文件是有格式要求,在《JVM Specification 》中式这样定义Class 文件的结构:

 ClassFile {   u4 magic;   u2 minor_version;    u2 major_version;   u2 constant_pool_count;   cp_info constant_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];  }

需要详细了解的话,可以仔细阅读《JVM Specification 》的第四章“The class File Format ”,这里不再详细说明。

友情提示:Class Loader 只管加载,只要符合文件结构就加载,至于说能不能运行,则不是它负责的,那是由Execution Engine 负责的。

## Execution Engine 执行引擎 

执行引擎也叫做解释器(Interpreter) ,负责解释命令,提交操作系统执行。

## Native Interface 本地接口

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java 所用,它的初衷是融合C/C++ 程序,Java 诞生的时候是C/C++ 横行的时候,要想立足,必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++ 程序,于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native 的代码,它的具体做法是Native Method Stack 中登记native 方法,在Execution Engine 执行时加载native libraies 。目前该方法使用的是越来越少了,除非是与硬件有关的应用,比如通过Java 程序驱动打印机,或者Java 系统管理生产设备,在企业级应用中已经比较少见,因为现在的异构领域间的通信很发达,比如可以使用Socket 通信,也可以使用Web Service 等等,不多做介绍。

## Runtime data area 运行数据区 

运行数据区是整个JVM 的重点。我们所有写的程序都被加载到这里,之后才开始运行,Java 生态系统如此的繁荣,得益于该区域的优良自治。

 

整个JVM 框架由加载器加载文件,然后执行器在内存中处理数据,需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行,瞧,一个完整的系统诞生了!

3、JVM加载class文件的原理机制 

   Java中的所有类,都需要由类加载器装载到JVM中才能运行。类加载器本身也是一个类,而它的工作就是把class文件从硬盘读取到内存中。在写程序的时候,我们几乎不需要关心类的加载,因为这些都是隐式装载的,除非我们有特殊的用法,像是反射,就需要显式的加载所需要的类。

  类装载方式,有两种 
      1.隐式装载, 程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时,隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中,
      2.显式装载, 通过class.forname()等方法,显式加载需要的类 
    隐式加载与显式加载的区别:两者本质是一样? 

     Java类的加载是动态的,它并不会一次性将所有类全部加载后再运行,而是保证程序运行的基础类(像是基类)完全加载到jvm中,至于其他类,则在需要的时候才加载。这当然就是为了节省内存开销。

   Java的类加载器有三个,对应Java的三种类:(java中的类大致分为三种:   1.系统类   2.扩展类 3.由程序员自定义的类 )

     Bootstrap Loader  // 负责加载系统类 (指的是内置类,像是String,对应于C#中的System类和C/C++标准库中的类)
            | 
          - - ExtClassLoader   // 负责加载扩展类(就是继承类和实现类)
                          | 
                      - - AppClassLoader   // 负责加载应用类(程序员自定义的类)

 三个加载器各自完成自己的工作,但它们是如何协调工作呢?哪一个类该由哪个类加载器完成呢?为了解决这个问题,Java采用了委托模型机制。

委托模型机制的工作原理很简单:当类加载器需要加载类的时候,先请示其Parent(即上一层加载器)在其搜索路径载入,如果找不到,才在自己的搜索路径搜索该类。这样的顺序其实就是加载器层次上自顶而下的搜索,因为加载器必须保证基础类的加载。之所以是这种机制,还有一个安全上的考虑:如果某人将一个恶意的基础类加载到jvm,委托模型机制会搜索其父类加载器,显然是不可能找到的,自然就不会将该类加载进来。

      我们可以通过这样的代码来获取类加载器:

ClassLoader loader = ClassName.class.getClassLoader();ClassLoader ParentLoader = loader.getParent();

注意一个很重要的问题,就是Java在逻辑上并不存在BootstrapKLoader的实体!因为它是用C++编写的,所以打印其内容将会得到null。
      

前面是对类加载器的简单介绍,它的原理机制非常简单,就是下面几个步骤:

1.装载:查找和导入class文件;

2.连接:

      (1)检查:检查载入的class文件数据的正确性;

      (2)准备:为类的静态变量分配存储空间;

      (3)解析:将符号引用转换成直接引用(这一步是可选的)

3.初始化:初始化静态变量,静态代码块。

      这样的过程在程序调用类的静态成员的时候开始执行,所以静态方法main()才会成为一般程序的入口方法。类的构造器也会引发该动作。