java编译与类加载机制

不论是物理机还是虚拟机，大部分的程序代码从开始编译到最终转化成物理机的目标代码或虚拟机能执行的指令集之前，都会按照如下图所示的各个步骤进行：

其中绿色的模块可以选择性实现。基于物理机、虚拟机等的语言，大多都遵循这种基于现代经典编译原理的思路，在执行前先对程序源码进行词法解析和语法解析处理，把源码转化为抽象语法树。

1.javac编译

javac 编译器将.java文件编译成为.class文件。这里的 javac 编译器称为前端编译器，其他的前端编译器还有诸如 Eclipse JDT 中的增量式编译器 ECJ 等。相对应的还有后端编译器，它在程序运行期间将字节码转变成机器码，如 HotSpot 虚拟机自带的 JIT编译器（分 Client 端和 Server 端）。另外，还有可能会碰到静态提前编译器（AOT，Ahead Of Time Compiler）直接把*.java文件编译成本地机器代码。

词法、语法分析

词法分析是将源代码的字符流转变为标记集合。单个字符是程序编写过程中的的最小元素，而标记则是编译过程的最小元素，关键字、变量名、字面量、运算符等都可以成为标记，比如整型标志 int 由三个字符构成，但是它只是一个标记，不可拆分。

语法分析是根据Token序列来构造抽象语法树的过程。抽象语法树是一种用来描述程序代码语法结构的树形表示方式，语法树的每一个节点都代表着程序代码中的一个语法结构，如 bao、类型、修饰符、运算符等。经过这个步骤后，编译器就基本不会再对源码文件进行操作了，后续的操作都建立在抽象语法树之上。

填充符号表

完成了语法分析和词法分析之后，下一步就是填充符号表的过程。符号表是由一组符号地址和符号信息构成的表格。符号表中所登记的信息在编译的不同阶段都要用到，在语义分析中，符号表所登记的内容将用于语义检查和产生中间代码，在目标代码生成阶段，党对符号名进行地址分配时，符号表是地址分配的依据。

语义分析

语法树能表示一个结构正确的源程序的抽象，但无法保证源程序是符合逻辑的。而语义分析的主要任务是读结构上正确的源程序进行上下文有关性质的审查。语义分析过程分为标注检查和数据及控制流分析。

标注检查步骤检查的内容包括诸如变量使用前是否已被声明、变量和赋值之间的数据类型是否匹配等。
数据及控制流分析是对程序上下文逻辑更进一步的验证，它可以检查出诸如程序局部变量在使用前是否有赋值、方法的每条路径是否都有返回值、是否所有的受查异常都被正确处理了等问题。

字节码生成

字节码生成是 javac 编译过程的最后一个阶段。字节码生成阶段不仅仅是把前面各个步骤所生成的信息转化成字节码写到磁盘中，编译器还进行了少量的代码添加和转换工作。实例构造器方法和类构造器()方法就是在这个阶段添加到语法树之中的（这里的实例构造器并不是指默认的构造方法，而是指我们自己重载的构造方法，如果代码中没有提供任何构造方法，那编译器会自动添加一个没有参数、访问权限与当前类一致的默认构造方法，这个工作在填充符号表阶段就已经完成了）。

2.JIT编译

Java 程序最初是仅仅通过解释器解释执行的，即对字节码逐条解释执行，这种方式的执行速度相对会比较慢，尤其当某个方法或代码块运行的特别频繁时，这种方式的执行效率就显得很低。于是后来在虚拟机中引入了 JIT 编译器（即时编译器），当虚拟机发现某个方法或代码块运行特别频繁时，就会把这些代码认定为“Hot Spot Code”（热点代码），为了提高热点代码的执行效率，在运行时，虚拟机将会把这些代码编译成与本地平台相关的机器码，并进行各层次的优化。
HotSpot 虚拟机中内置了两个JIT编译器：Client Complier 和 Server Complier，分别用在客户端和服务端，目前主流的 HotSpot 虚拟机中默认是采用解释器与其中一个编译器直接配合的方式工作。
运行过程中会被即时编译器编译的“热点代码”有两类：

被多次调用的方法。
被多次调用的循环体。

目前主要的热点判定方式有以下两种：

基于采样的热点探测：采用这种方法的虚拟机会周期性地检查各个线程的栈顶，如果发现某些方法经常出现在栈顶，那这段方法代码就是“热点代码”。这种探测方法的好处是实现简单高效，还可以很容易地获取方法调用关系，缺点是很难精确地确认一个方法的热度，容易因为受到线程阻塞或别的外界因素的影响而扰乱热点探测。
基于计数器的热点探测：采用这种方法的虚拟机会为每个方法，甚至是代码块建立计数器，统计方法的执行次数，如果执行次数超过一定的阀值，就认为它是“热点方法”。这种统计方法实现复杂一些，需要为每个方法建立并维护计数器，而且不能直接获取到方法的调用关系，但是它的统计结果相对更加精确严谨。
HotSpot 虚拟机中使用的是基于计数器的热点探测方法，它为每个方法准备了两个计数器：方法调用计数器和回边计数器。

方法调用计数器用来统计方法调用的次数，在默认设置下，方法调用计数器统计的并不是方法被调用的绝对次数，而是一个相对的执行频率，即一段时间内方法被调用的次数。
回边计数器用于统计一个方法中循环体代码执行的次数（准确地说，应该是回边的次数，因为并非所有的循环都是回边），在字节码中遇到控制流向后跳转的指令就称为“回边”。

3.类加载机制

类是在运行期间第一次使用时动态加载的，而不是一次性加载所有类。类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。

类的生命周期

类的加载过程主要包含了加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段。如下：

加载

加载过程完成以下三件事：

通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
在堆中生成一个代表这个类的 Class 对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

验证

验证的目的是为了确保 Class 文件中的字节流包含的信息符合当前虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。

文件格式的验证：验证字节流是否符合 Class 文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理，该验证的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内。经过该阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，后面的三个验证都是基于方法区的存储结构进行的。
元数据验证：对类的元数据信息进行语义校验（其实就是对类中的各数据类型进行语法校验），保证不存在不符合 Java 语法规范的元数据信息。
字节码验证：该阶段验证的主要工作是进行数据流和控制流分析，对类的方法体进行校验分析，以保证被校验的类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为。
符号引用验证：它发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候（解析阶段中发生该转化，后面会有讲解），主要是对类自身以外的信息（常量池中的各种符号引用）进行匹配性的校验。

准备

准备阶段为类变量分配内存并设置初始值，使用的是方法区的内存。

基本类型及引用类型初始值

解析

解析阶段是虚拟机将常量池中的符号引用转化为直接引用的过程。
这里说一下符合引用于直接引用的区别：

符号引用：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定已经加载到了内存中。
直接引用：直接引用可以是直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。直接引用是与虚拟机实现的内存布局相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那说明引用的目标必定已经存在于内存之中了。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法四类符号引用进行。
类或接口的解析：判断所要转化成的直接引用是对数组类型，还是普通的对象类型的引用，从而进行不同的解析。
字段解析：对字段进行解析时，会先在本类中查找是否包含有简单名称和字段描述符都与目标相匹配的字段，如果有，则查找结束；如果没有，则会按照继承关系从上往下递归搜索该类所实现的各个接口和它们的父接口，还没有，则按照继承关系从上往下递归搜索其父类，直至查找结束。
类方法解析：对类方法的解析与对字段解析的搜索步骤差不多，只是多了判断该方法所处的是类还是接口的步骤，而且对类方法的匹配搜索，是先搜索父类，再搜索接口。
接口方法解析：与类方法解析步骤类似，知识接口不会有父类，因此，只递归向上搜索父接口就行了。

class Super{  
    public static int m = 11;  
    static{  
        System.out.println("执行了super类静态语句块");  
    }  
}  

class Father extends Super{  
    public static int m = 33;  
    static{  
        System.out.println("执行了父类静态语句块");  
    }  
}  

class Child extends Father{  
    static{  
        System.out.println("执行了子类静态语句块");  
    }  
}  

public class StaticTest{  
    public static void main(String[] args){  
        System.out.println(Child.m);  
    }  
}

执行结果如下：

执行了super类静态语句块
执行了父类静态语句块
33

初始化

初始化是类加载过程的最后一步，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。在准备阶段，类变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，根据程序员通过程序制定的主观计划去初始化类变量和其它资源。初始化阶段是执行类构造器() 方法的过程。
()执行规则：

()是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序所决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句中可以赋值，但是不能访问。
()方法与类的构造方法不同，它不需要显式地调用父类构造器，虚拟机会保证在子类的()方法执行之前，父类的()方法已经执行完毕。因此，在虚拟机中第一个被执行的()方法的类肯定是java.lang.Object。
()方法对于类或接口来说并不是必须的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对类变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成()方法。
接口中不能使用静态语句块，但仍然有类变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样会生成()方法。但是接口与类不同的是：执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法，只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的()方法。
虚拟机会保证一个类的()方法在多线程环境中被正确地加锁和同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行()方法完毕。如果在一个类的()方法中有耗时很长的操作，那就可能造成多个线程阻塞，在实际应用中这种阻塞往往是很隐蔽的。

4.类加载时机

创建类的实例，也就是new一个对象
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射（Class.forName("")）
初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）
JVM启动时标明的启动类

5.类加载器

类加载器细致的可以划分为：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）此类加载器负责将存放在 \lib 目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如 rt.jar，名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中。启动类加载器无法被 Java 程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给启动类加载器，直接使用 null 代替即可。
扩展类加载器（Extension ClassLoader）这个类加载器是由 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将 /lib/ext 或者被 java.ext.dir 系统变量所指定路径中的所有类库加载到内存中，开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器（Application ClassLoader）这个类加载器是由 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader() 方法的返回值，因此一般称为系统类加载器。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。
自定义类加载器（Custom ClassLoader）如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为 JVM 自带的 ClassLoader 只是懂得从本地文件系统加载标准的 java class 文件。

双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。
这里的父子关系一般通过组合关系（Composition）来实现，而不是继承关系（Inheritance）

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个很明显的好处，就是 Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，这对于保证 Java 程序的稳定运作很重要。例如，类java.lang.Object 类存放在 rt.jar 之中，因此无论是哪个类加载器要加载此类，最终都会委派给启动类加载器进行加载，这就保证了 Object 类在程序中的各种类加载器中都是同一个类。

参考资料
周志明. 深入理解 Java 虚拟机 [M]. 机械工业出版社, 2011.
《深入理解Java虚拟机：JVM高级特性与最佳实践》第二版
深入探讨 Java 类加载器