深入拆解Java虚拟机笔记（1）虚拟机介绍、类的加载

一 Java 虚拟机具体是怎样运行Java 字节码的

以标准JDK 中的HotSpot 虚拟机为例

虚拟机视角

从虚拟机视角来看，执行Java 代码首先需要将它编译而成的class 文件加载到Java 虚拟机中。加载后的Java 类会被存放于方法区（Method Area）中。实际运行时，虚拟机会执行方法区内的代码
Java 虚拟机同样也在内存中划分出堆和栈来存储运行时数据
Java 虚拟机会将栈细分为面向Java 方法的Java 方法栈，面向本地方法（用C++写的native 方法）的本地方法栈，以及存放各个线程执行位置的PC 寄存器。

在运行过程中，每当调用进入一个Java 方法，Java 虚拟机会在当前线程的Java 方法栈中生成一个栈帧，用以存放局部变量以及字节码的操作数。这个栈帧的大小是提前计算好的，而且Java 虚拟机不要求栈帧在内存空间里连续分布。
当退出当前执行的方法时，不管是正常返回还是异常返回，Java 虚拟机均会弹出当前线程的当前栈帧，并将之舍弃。

硬件视角

Java 字节码无法直接执行。因此，Java 虚拟机需要将字节码翻译(前面是编译)成机器码。

在HotSpot 里面，上述翻译过程有两种形式：

1. 第一种是解释执行，即逐条将字节码翻译成机器码并执行；
2. 第二种是即时编译（Just-In-Time compilation，JIT），即将一个方法中包含的所有字节码编译成机器码后再执行。
   
   硬件只管执行机器码

编译/解释混合模式

前者的优势在于无需等待编译(编译快)，而后者的优势在于实际运行速度更快。HotSpot 默认采用混合模式，综合了解释执行和即时编译两者的优点。它会先解释执行字节码，而后将其中反复执行的热点代码，以方法为单位进行即时编译。

运行效率

HotSpot 采用了多种技术来提升启动性能以及峰值性能，刚刚提到的即时编译便是其中最重要的技术之一。
即时编译建立在程序符合二八定律的假设上，也就是百分之二十的代码占据了百分之八十的计算资源。

对于占据大部分的不常用的代码，我们无需耗费时间将其编译成机器码，而是采取解释执行的方式运行；另一方面，对于仅占据小部分的热点代码，我们则可以将其编译成机器码，以达到理想的运行速度。

分层编译

从Java 7 开始，HotSpot 默认采用分层编译的方式：热点方法首先会被C1 编译，而后热点方法中的热点会进一步被C2 编译

• C1 又叫做Client 编译器，面向的是对启动性能有要求的客户端GUI 程序，采用的优化手段相对简单，因此编译时间较短。
• C2 又叫做Server 编译器，面向的是对峰值性能有要求的服务器端程序，采用的优化手段相对复杂，因此编译时间较长，但同时生成代码的执行效率较高。

先快速启动，后慢慢提高峰值性能

二 类加载

从class 文件到内存中的类，按先后顺序需要经过加载、链接以及初始化三大步骤

2.1引用类型分类

Java 将其细分为四种：类、接口、数组类和泛型参数。由于泛型参数会在编译过程中被擦除，因此Java 虚拟机实际上只有前三种。在类、接口和数组类中，数组类是由Java 虚拟机直接生成的，其他两种则有对应的字节
流。
说到字节流，最常见的形式要属由Java 编译器生成的class 文件。除此之外，我们也可以在程序内部直接生成，或者从网络中获取（例如网页中内嵌的小程序Java applet）字节流。这些不同形式的字节流，都会被加载到Java 虚拟机中，成为类或接口.
无论是直接生成的数组类，还是加载的类，Java 虚拟机都需要对其进行链接和初始化。接下来，我会详细给你介绍一下每个步骤具体都在干些什么。

2.2加载

加载，是指查找字节流，并且据此创建类的过程。数组类是直接生成的，没有这一步!

启动类加载器

启动类加载器（boot classloader）。启动类加载器是由C++ 实现的，没有对应的Java 对象，因此在Java 中只能用null来指代。(所以我们找不到该对象)

在Java 9之前，启动类加载器负责加载最为基础、最为重要的类，比如存放在JRE 的lib 目录下jar 包中的类（以及由虚拟机参数-Xbootclasspath 指定的类(人工指定加载)）。除了启动类加载器之外，另外两个重要的类加载器是扩展类加载器（extension class loader）和应用类加载器（application class loader），均由Java 核心类库提供。

ClassLoader的各种子类

除了启动类加载器之外，其他的类加载器都是java.lang.ClassLoader 的子类，因此有对应的Java 对象。这些类加载器需要先由另一个类加载器，比如说启动类加载器，加载至Java 虚拟机中，方能执行类加载。(他们也要先被类加载器加载进来，才能去加载别的类)

• 扩展类加载器的父类加载器是启动类加载器。它负责加载相对次要、但又通用的类，比如存放在JRE 的lib/ext 目录下jar 包中的类（以及由系统变量java.ext.dirs 指定的类）。
• 应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器。它负责加载应用程序路径下的类。（这里的应用程序路径，便是指虚拟机参数-cp/-classpath、系统变量java.class.path 或环境变量CLASSPATH 所指定的路径。）默认情况下，应用程序中包含的类便是由应用类加载器加载的。

双亲委派模型

每当一个类加载器接收到加载请求时，它会先将请求转发给父类加载器。在父类加载器没有找到所请求的类的情况下，该类加载器才会尝试去加载。

自定义类加载器

除了由Java 核心类库提供的类加载器外，我们还可以加入自定义的类加载器，来实现特殊的加载方式。举例来说，我们可以对class 文件进行加密，加载时再利用自定义的类加载器对其解密。

命名空间

除了加载功能之外，类加载器还提供了命名空间的作用。
在Java 虚拟机中，类的唯一性是由类加载器实例以及类的全名一同确定的。即便是同一串字节流，经由不同的类加载器加载，也会得到两个不同的类。在大型应用中，我们往往借助这一特性，来运行同一个类的不同版本。

2.3 链接

链接，是指将创建成的类合并至Java 虚拟机中，使之能够执行的过程。它可分为验证、准备以及解析三个阶段

验证阶段

在于确保被加载类能够满足Java 虚拟机的约束条件。
通常而言，Java 编译器生成的类文件必然满足Java 虚拟机的约束条件。

准备阶段

目的是为被加载类的静态字段分配内存（因为静态字段是属于类的)。Java 代码中对静态字段的具体初始化（不在本阶段！！！），则会在稍后的初始化阶段中进行。
除了分配内存外，部分Java 虚拟机还会在此阶段构造其他跟类层次相关的数据结构，比如说用来实现虚方法的动态绑定的方法表。

解析阶段

目的，正是将这些符号引用解析成为实际引用。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载（但未必触发这个类的链接以及初始化。）

编译期是符号引用
在class 文件被加载至Java 虚拟机之前，这个类无法知道其他类及其方法、字段所对应的具体地址，甚至不知道自己方法、字段的地址。因此，每当需要引用这些成员时，Java 编译器会生成一个符号引用。在运行阶段，这个符号引用一般都能够无歧义地定位到具体目标上。

举例来说，对于一个方法调用，编译器会生成一个包含目标方法所在类的名字、目标方法的名字、接收参数类型以及返回值类型的符号引用，来指代所要调用的方法。

Java 虚拟机规范并没有要求在链接过程中完成解析。它仅规定了：如果某些字节码使用了符号引用，那么在执行这些字节码之前，需要完成对这些符号引用的解析。

在执行调用指令前，它所附带的符号引用需要被解析成实际引用。对于可以静态绑定的方法调用而言，实际引用为目标方法的指针。对于需要动态绑定的方法调用而言，实际引用为辅助动态绑定的信息（方法表的索引）。

2.4 初始化

在Java 代码中，如果要初始化一个静态字段，我们可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值。
如果直接赋值的静态字段被final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便会被Java 编译器标记成常量值（ConstantValue），其初始化直接由Java 虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被Java 编译器置于同一方法中.换句话说该阶段是执行类构造器()方法的过程

就是静态变量初始化（非final修饰的）

Java 虚拟机会通过加锁来确保类的方法仅被执行一次。只有当初始化完成之后，类才正式成为可执行的状态。

2.5 类的初始化何时会被触发

1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；
2. 当遇到用以新建目标类实例的new 指令时，初始化new 指令的目标类；
3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；
4. 当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；(静态内部类实现单例原理)
5. 子类的初始化会触发父类的初始化
6. 如果一个接口定义了default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；
7. 使用反射API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；
8. 当初次调用MethodHandle 实例时，初始化该MethodHandle 指向的方法所在的类。

2.6 按顺序开始（交叉混合）

其中加载、检验、准备、初始化和卸载这个五个阶段的顺序是固定的，而解析则未必。为了支持动态绑定，解析这个过程可以发生在初始化阶段之后。另外，这个过程表示的是按顺序开始，不是所谓的第一步、第二步、第三步的关系，而往往是交叉混合进行，在一个阶段中可能调用或者激活另一个过程。

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