JVM内部架构和类加载机制

每天都在用JVM，那你知道JVM是如何工作的吗？看下图：

　　

 

 

从图中我们可以知道，JVM大概由几部分组成：类加载器、内存区域、执行引擎、本地接口库。其中类加载器负责把磁盘上的.class文件加载到JVM内存中去； 执行引擎负责代码执行，执行过程中会使用到内存区域；内存区域划分为几块，各自有各自的用处。

java代码如何被JVM执行的？
整体流程很简单：

 　　

 

 

我们写的.java文件计算机是识别不了的，所以首先我们写的代码需要从.java文件编译为.class文件，.class是字节码文件，里面都是一些字节码指令，这样的字节码指令才是计算机可以识别的。而编译过程一般是maven这样的构建工具来做的，我们只需要一个命令下去就可以达成jar包。

然后把打好的jar包放到服务器上，java –jar命令来启动，此时，一个JVM进程便起来了。当然，java –jar命令中可以包含一些设置参数、classpath、主方法所在类等，如下所示：

java –jar –Xmx1024m –Xms1024m –Xmn512m –classpath /xxx/xxx/xxx.jar:/xxx/xxx/xxx1.jar com.cn.test.MainApplication

此时JVM会按照指定的参数进行启动，按照设定的classpath来读取.class文件，按照指定的主类的路径查找MainApplication.class文件，通过类加载器将MainApplication.class文件加载到JVM内存中， 初始化MainApplication类，然后执行MainApplication，在执行过程中用到了什么类，JVM的类加载器就会把这些类对应的.class文件也加载到JVM内存中，这样一个新的JVM就开始它的工作了。

 

类的生命周期

当java源代码文件被javac编译成class文件后，并不能直接运行，而是需要经过加载，连接和初始化这几个阶段后才能使用。在使用完类或被销毁后，JVM会将类卸载掉。

 

 

类加载的过程

类加载的过程需要经过三个阶段分别是：1.加载、2.连接、3.初始化，其中连接又可分为3个阶段：验证，准备，解析

一、加载（Loading）
由类加载器完成，类的class文件读入内存后，并将其保存到方法区内，然后就会创建一个java.lang.Class类型的对象。类被载入JVM中，同一个类就不会再次被载入。需要区分的是“加载”和“类加载”的区别，其中加载只是类加载的第一个环节。

加载阶段：

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
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
在内存中生成一个代表此类的java.lang.Class的对象，作为访问这个类的入口。
二、验证（Verification）
目的在于确保class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求,保证被加载类的正确性,不会危害虚拟机自身安全，主要验证包括：

验证文件格式：第一阶段要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正确处理。
元数据的验证：第二阶段对字节码描述的信息进行语义分析，比如说验证这个类是不是有父类，类中的字段方法是不是和父类冲突等等，以保证其描述的信息符合Java语言的规范要求。
字节码验证：第三个阶段主要是将对类的方法体（数据流和控制流）进行验证分析。这个阶段保证方法在运行时不会出现危害虚拟机安全的行为语言规范
符号引用验证：第四个阶段符号引用验证可以看做是对类自身以外的信息进行匹配性校验，发生时机是虚拟机将符号引用转换成直接引用时。
三、准备（Preparation）
为类的静态变量(static )分配内存并为其赋零值(默认值0、0.0、false、null等），但是不包含用final修饰的static,因为final在编译时就已经分配了。不会为实例变量分配初始值,类变量会分配在方法区中,而实例变量是会随着对象一起分配到堆中。

需注意：

这里仅只是给静态变量赋值，而不是成员变量。
在JDK8之前，类的元信息、常量池、静态变量等都存储在永久代这种具体实现中，而在JDK8及以后字符串常量池、静态变量被移除“方法区”，转移到了堆中而元信息，运行时常量池这些依然保留在方法区内，但是具体的存储方式改成了元空间。

四、解析（Resolution）

 

 

将常量池中的符号引用替换为直接引用（内存地址）的过程， 主要包括四种类型引用的解析：类或接口的解析、 字段解析、方法解析、接口方法解析。

符号引用：一个Java类被编译成Class之后，如上图，当Test1中引用了Test2，那么在编译阶段，Test1是不知道Test2有没有被编译，也代表Test2一定没有被加载，所以Test1肯定不知道Test2的实际地址。此时在Test1的class的文件中，将使用一个字符串来代表Test2的地址，这个字符串就被称为是符号引用。
直接引用：在运行时，如果Test1发生了类加载，到解析阶段发现Test2还未被加载，这时将会触发Test2的类加载，将Test2加载到虚拟机中，此时Test1中Test2的符号引用将会被替换为Test2的实际地址。
在解析阶段，会将常量池中符号引用替换为直接引用。但是只是替换了部分。这一部分是包含，所有私有方法、静态方法、构造器及初始化方法都是采用静态绑定机制，在编译器阶段就已经指明了调用方法在常量池中的符号引用，JVM运行的时候只需要进行一次常量池解析即可。如果Test1调用的Test2是一个具体的实现类那么就称为静态解析，因为解析的目标类很明确。

那么假如上层Java代码中使用了多态，这里的Test2可能是一个抽象类或者是接口，那么Test2就可能有两个具体的实现类Test3和Test4，这时会因为Test2的具体实现并不明确导致不知道使用哪个具体类的直接引用来进行替换，所以这里就会一直等到运行过程中发生了调用，JVM才会调用栈中将会得到的具体的类型信息，这个时候在进行解析就能用明确的直接引用来替换符号引用，这时解析阶段就会发生在初始化阶段之后，这就是动态解析 用它来实现了后期绑定。

五、 初始化
初始化，则是为标记为常量值的字段赋值的过程。只对static修饰的变量或语句块进行初始化。 如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类。 如果同时包含多个静态变量和静态初始化块，则按照自上而下的顺序依次执行。

类加载器
Java中默认提供的三种类加载器：

启动类加载器 BootstrapClassLoader（根加载器）： 加载Java_Home/jre/lib目录下的核心API
扩展类加载器 ExtClassLoader： 负责加载Java_Home/jre/lib/ext目录下的所有jar包；
应用类加载 AppClassLoader：继承URLClassLoader。对应加载的应用程序classpath目录下的所有jar和class等

 

 

当一个类加载器收到类加载请求的时候，它首先不会自己去加载这个类的信息，而是把该请求委派给父类加载器，依次向上。所以所有的类加载请求都会被委派到父类加载器中，只有当父类加载器中无法加载到所需的类，子类加载器才会自己尝试去加载该类。如果当前类加载器和所有父类加载器都无法加载该类时，则会抛出ClassNotFoundException异常。

双亲委派的作用
1、防止重复加载同一个.class，通过委托确认是否加载，如已加载，无需重复加载，保证数据安全。

2、防止核心.class不能被篡改。