hmcl显示java虚拟机 java虚拟机加载过程

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mob64ca13fba42b 2023-12-13 00:56:46

文章标签 hmcl显示java虚拟机 jvm 加载类加载器类变量 文章分类 Java 后端开发

本篇博客主要讲解Java虚拟机加载类的过程。

当程序要使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，则系统会通过加载，连接，初始化三步来实现这个类进行初始化。其中连接又包括三步：验证、准备和解析。

类的生命周期如图所示：

hmcl显示java虚拟机 java虚拟机加载过程_类变量

加载

“加载”是“类加载”（Class Loading）过程的一个阶段，希望读者没有混淆这两个看起来很相似的名词。

在加载阶段，虚拟机需要完成以下3件事情：
1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。
2）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。
3）在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象。

对于HotSpot虚拟机而言，Class对象比较特殊，它虽然是对象，但是存放在方法区里面），这个对象将作为程序访问方法区中的这些类型数据的外部接口。

这里有两个重点：

字节码来源。一般的加载来源包括从本地路径下编译生成的.class文件，从jar包中的.class文件，从远程网络，以及动态代理实时编译。

（1）Java虚拟机将.class文件读入内存，并为之创建一个Class对象。
（2）任何类被使用时系统都会为其创建一个且仅有一个Class对象。
（3）这个Class对象描述了这个类创建出来的对象的所有信息，比如有哪些构造方法，都有哪些成员方法，都有哪些成员变量等。

Student类加载过程图示：

hmcl显示java虚拟机 java虚拟机加载过程_hmcl显示java虚拟机_02

类加载器

虚拟机加载类使用的是类加载器，加载器分为四种：

分别是：Bootstrat Class Loader、Extension Class Loader、System Class Loader和用户自定义的类加载器。

hmcl显示java虚拟机 java虚拟机加载过程_jvm_03

VM预定义有三种类加载器，当一个 JVM启动的时候，Java开始使用如下三种类加载器：

1)根类加载器（bootstrap class loader）:它用来加载 Java 的核心类，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader（负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类）。
2)扩展类加载器（extensions class loader）：它负责加载JRE的扩展目录，lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录中的JAR包的类。由Java语言实现，父类加载器为null。
3)系统类加载器（system class loader）：被称为系统（也称为应用）类加载器，它负责在JVM启动时加载来自Java命令的-classpath选项、java.class.path系统属性，或者CLASSPATH换将变量所指定的JAR包和类路径。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()来获取系统类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的类加载器都以此类加载器作为父加载器。由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader。

双亲委派机制

类加载器加载Class使用双亲委派机制：
当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类去完成，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的Class），子类加载器才会尝试自己去加载。

采用双亲委派的一个好处是：
比如加载位于 rt.jar 包中的类 java.lang.Object，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个 Object对象。

链接

链接又包括三个阶段，分别是：验证、准备以及解析。

（1）验证阶段。验证的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。

包括对于文件格式的验证，比如常量中是否有不被支持的常量？文件中是否有不规范的或者附加的其他信息？
对于元数据的验证，比如该类是否继承了被final修饰的类？类中的字段，方法是否与父类冲突？是否出现了不合理的重载？
对于字节码的验证，保证程序语义的合理性，比如要保证类型转换的合理性。
对于符号引用的验证，比如校验符号引用中通过全限定名是否能够找到对应的类？校验符号引用中的访问性（private，public等）是否可被当前类访问？

（2）准备阶段：准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。

这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下，首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（被static修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。通常情况下的初始值如下表：

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其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为：public static final a = 1;

那么这个a就会直接被赋值为指定的值1。

（3）解析阶段。将类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用。
说明：
符号引用：即一个字符串，但是这个字符串给出了一些能够唯一性识别一个方法，一个变量，一个类的相关信息。
直接引用：可以理解为一个内存地址，或者一个偏移量。比如类方法，类变量的直接引用是指向方法区的指针；而实例方法，实例变量的直接引用则是从实例的头指针开始算起到这个实例变量位置的偏移量。

举个例子来说，现在调用方法hello()，这个方法的地址是0xaabbccdd，那么hello就是符号引用，0xaabbccdd就是直接引用。

在解析阶段，虚拟机会把所有的类名，方法名，字段名这些符号引用替换为具体的内存地址或偏移量，也就是直接引用。