JVM入门（Class格式及类加载）

java执行流程

从图中可以看出，java文件先会被编译成.class字节码文件，由jvm的类加载器加载到内存中，通过字节码解释器或即时编译器编译成汇编语言在操作系统上执行

Class File Format

整个class其实就是二进制的字节流，供jvm解析

整个class文件的构成，基本可以分为几个部分：

• magic—魔数（不同类型后缀的文件，文件前缀都不一样，称为魔数，.class文件的魔数前缀是CAFE BABE，占4个字节）
• minor_version：jvm小版本号
• major_version：jvm大版本，1.8版本主版本是52（0034占两个字节）
• constant_count：常量池长度
• access_flag：代表类的声明类型（public、final、abstract等）
• this_class：表示当前类
• super_class：表示当前类的父类
• interfaces_count：实现的接口数量
• interfaces：接口具体索引
• fields_count：类有哪些属性数量
• fields：类有哪些属性
• methods_count：方法数量
• methods：方法的索引
• attributes_count：属性数量
• attributes：属性表集合，附加项有一项是code，记录类的方法体中的具体代码经过javac编译后的字节码指令

Class Loading Linking Initializing

类加载的过程主要分为三部分，加载、连接（连接又包括验证、准备、解析）、初始化

加载

本阶段jvm会通过类的完全路径名找到具体的.class字节流文件（用到了双亲委派模型），将字节流文件的内容放入方法区，并转译成方法区可执行的数据结构。之后在内存中生成一个Class对象，作为方法区这个类各种数据结构的访问入口。
想获取Class对象很简单，比如String.class、String.getClass()都可以拿到对应的Class对象。Class对象可以理解为是单例的，针对一个类只会有一个Class对象。
Class对象比较特殊，它也在堆中

连接

• 验证：校验字节码内容是否正确，格式是否符合JVM规定，比如.class文件开头的魔数是cafe babe，如果有问题会报错
• 准备：这时候给类变量分配内存（static修饰的变量）和默认值，这里的默认值是0值。例如类中变量定义为

public static int value = 123;

准备阶段赋的初始值是0，value的值真正变为123是在之后的初始化阶段

• 解析：将加载到常量池的类的各种符号引用替换为直接引用

初始化

类加载的最后一步，真正执行类中定义的程序代码，静态变量赋值（上述value会真正赋值为123，执行静态块的代码）

主要是执行类构造器()方法的过程，给静态变量赋初始值。具体描述可参考“深入理解Java虚拟机”第七章225页内容

类加载器和双亲委派模型（加载阶段）

类加载器分为四种：Bootstrap类加载器（启动类加载器）、扩展类加载器、应用程序类加载器和自定义加载器。java中只能拿到除启动类加载器之外的其他类加载器，因为启动类加载器是用C++实现的。可查看Launcher类确定不同类加载器的加载范围（类加载器是Launcher的内部类）

加载过程

为什么使用双亲委派模型？

为了安全。即防止内存中出现多份同样的字节码。
从反向思考这个问题，如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中，多个类加载器都去加载这个类到内存中，系统中将会出现多个不同的Object类，那么类之间的比较结果及类的唯一性将无法保证，而且如果不使用这种双亲委派模型将会给虚拟机的安全带来隐患。所以，要让类对象进行比较有意义，前提是他们要被同一个类加载器加载。

打破双亲委派模型在什么时候发生

• 实现：重写loadClass()
• 何时打破
  • jdk1.2之前，自定义类加载器都必须重写loadClass
  • ThreadContextClassLoader可以实现基础类调用实现类代码，通过thread.setContextClassLoader指定
  • 热启动、热部署
    • osgi tomcat 都有自己的模块指定classLoader（可以加载同一类库不同版本）

自定义类加载器（加载阶段）

类加载器重要方法

• loadClass(“类全路径名”)—加载类
• findLoadedClass(“类全路径名”)—类加载器查询维护的表，判断该类是否加载过
• findClass(“类全路径名”)—查找类文件并加载到内存，是自定义类加载器需要重写的方法

相关源码

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

自定义类加载器只需继承ClassLoader类，实现findClass方法即可（采用模板方法模式，可能用到方法defineClass）。

扩展

有些对class编译文件要求安全性的场景，可对编译后的class文件进行加密，之后自定义类加载器，重写findClass方法中进行解密之后加载进内存

如果有多个自定义类加载器，如何指定父加载器？可通过构造方法。默认是应用程序类加载器

lazyloading（加载阶段）

示例

public static class P {
		final static int i = 8;
		static int j = 9;
		static {
			System.out.println("P");
		}
	}

public static class X extends P {
	static {
		System.out.println("X");
	}
}

public static void main(String[] args) {
	//1
	P p;
	//2
	X x = new X();
	//3
	System.out.println(P.i);
	//4
	System.out.println(P.j);
}

1. 不会打印"P",“X”
2. 会打印"P",“X”
3. 不会打印"P",“X”
4. 会打印"P"

Jvm的编译（混合编译、解释编译、即时编译）（加载阶段）

检测热点代码
-XX:CompileThreshold = 10000