JVM 类加载机制、对象的创建过程

 

类加载机制

类加载也叫类初始化，包括加载、连接、初始化三个步骤。
 

加载

jvm将类的.class文件读到内存中，并创建对应的java.lang.Class对象。
 

加载由类加载器来完成，jvm提供了3种类加载器

• Bootstrap ClassLoader ：根类加载器，也叫做引导类加载器，负责加载jdk中的核心类。根类加载器是用C++写的，不继承java.lang.ClassLoader。
• Extension ClassLoader ：扩展类加载器，负责加载jdk中的扩展类（非核心类），扩展类加载器是用java写的，继承自ClassLoader。
• System ClassLoader：系统类加载器，负责加载第三方jar包、我们自己写的类。系统类加载器是用java写的，继承自ClassLoader。

可以继承ClassLoader类来实现自定义的类加载器。

加载顺序：根类加载器、扩展类加载器、系统类加载器、自定义的类加载器

 

jvm的类加载机制有3种，这3种机制共同作用，一起完成类的加载

• 全盘负责：使用类加载器加载一个类时，这个类所依赖（引用）的类也由该类加载器加载
• 父类委托：先使用父类的类加载器来加载，如果父类的类加载器加载不了，再使用类本身的类加载器来加载
• 缓存机制：jvm会缓存加载过的类的class对象，要使用某个类时，先在缓存中搜索是否有对应的class对象，有就直接使用、不再加载，没有才加载。运行程序后，如果修改了某个类，需要重启jvm才会生效，不然使用的是之前缓存的class对象。

 

类加载的大致过程

类加载是按需加载，使用该类时才加载，类加载生成的class对象用全类名唯一标识。

因为存在缓存机制，一个类只加载一次，且一个类在内存中最多只有一个class对象。
 

为什么要使用双亲委派机制去加载类？

避免重复加载同一个.class文件

 

连接

加载获得的class对象是二进制数据，连接是把class对象放到jre中（把class对象连接到jre），jre即java运行时环境。
 

连接分为3个阶段

• 校验：检验被加载的类的内部结构是否正确、和其他类是否协调一致
• 准备：为类的成员变量分配内存，设置默认的初始值，比如int赋为0，引用型赋为null
• 解析：将class对象中的符号引用替换为直接引用

class对象是加载时生成的，加载时class对象中的成员变量还没有分配内存，不知道该成员变量在内存中的地址，只能用符号引用暂时表示该成员变量在内存中的地址。连接的准备阶段给成员变量分配内存，之后就可以用直接引用（内存地址）替换掉符号引用。

 

初始化

初始化是对类进行初始化，不是对类的对象进行初始化。类初始化会执行static代码块、初始化static静态成员。

 

类加载|初始化的时机（jvm什么时候加载|初始化一个类）

• 创建类的实例。包括通过new来创建、通过反射来创建、通过反序列化来创建。
• 通过类名调用类的静态成员
• 初始化这个类的子类之前
• 通过java.exe运行主类时，JVM会先初始化这个主类，再执行这个主类

 

类加载方式

主要有两种

• 隐式加载：使用new创建对象，隐式调用类加载器，加载对应的类到 JVM 中，这是最常见的类加载方式
• 显式加载：使用 loadClass()、forName() 等方法显式加载需要的类，获取到 Class 对象后，调用 Class 对象的 newInstance() 方法来创建类的实例

 

两种类加载方式的区别

• 隐式加载能直接获取类的实例，显式加载需要调用 Class 对象的 newInstance() 方法来生成类的实例
• 隐式加载能使用带参的构造函数，而Class对象的 newInstance() 不能传入参数，如果要使用带参的构造函数，可以通过反射获取到该类带参的构造方法，通过反射调用带参的构造方法来创建实例

 

loadClass() 、 forName() 的区别

loadClass() 只执行类加载的第一步：加载，后续操作均未进行；Class.forName() 执行了类加载的整个过程（3步）。

 

对象的创建过程

1、先在常量池中定位该类的符号引用，判断是否已有该类的class对象，如果没有则先加载该类。加载时会执行static代码块、初始化静态成员
 

2、在堆中分配内存空间。有2种分配方式

• 指针碰撞：适用于连续的内存空间，包括开辟一块内存、移动指针两个步骤
• 空闲列表：适用于琐碎的内存空间，包括开辟一块内存、修改空闲列表两个步骤

都是2个步骤，不具有原子性，可能出现并发问题，jvm采用CAS算法实现乐观锁，搭配失败重试来保证内存分配的成功率。
 

3、初始化分配的内存空间。分配内存空间时是按成员变量的类型进行分配的，此时初始化成员变量为默认值，比如int型初始化为0，引用型初始化为null
 

4、设置对象头的相关数据，比如GC分代年龄、对象的hashCode、锁状态标识、元数据信息
 

5、执行普通初始块、构造函数

 

对象的内存布局

1、对象头用于存储对象的元数据信息

• Mark Word 部分存储对象自身的运行时数据，比如哈希值、gc分代年龄、锁状态标识
• 类型指针指向对象所属的类的元数据，标识对象所属的类

2、实例数据存储的是对象本身的数据，即各成员变量的值

3、对齐填充部分只是让实例数据占用的内存空间是8的倍数，无实际意义

 

对象的访问方式

对象创建之后，在java虚拟机栈中进行访问，有2种访问方式

• 直接指针访问：虚拟机栈的局部变量表中存储对象的引用（reference类型），通过引用直接访问对象
• 句柄访问：用句柄存储对象的引用，句柄放在句柄池中，虚拟机栈的局部变量表中存储对象的句柄，相当于二级指针。句柄池是堆中的一块内存。

直接指针访问效率高，但gc回收对象时效率低；句柄访问效率低，但gc回收对象时效率高。HotSpot虚拟机采用的是直接指针访问。