JVM类加载入门指南

1. 类加载阶段

类加载器 ：JVM只会运行二进制文件，类加载器的作用就是将 字节码文件加载到JVM中，从而让Java程序能够启动起来

1.1 加载

1. 将类的字节码载到方法区中，使用C++的 instanceKlass 描述java类。关键字段包括：

• _ java_mirror： 即java类镜像，例如对String来说，就是String.class，作用是把klass暴露给java使用
• _super ：父类信息
• fields ：成员变量
• methods ：方法
• constants ：常量池
• class_loader ：类加载器
• _vtable ：方法表
• _itable： 接口方法表

2. 如果这个类还有父类没有加载，先加载父类
3. 加载和链接可能是交替运行的

注意

• instanceKlass 这样的元数据存储在方法区（Java 8 之后为元空间），而 _java_mirror 存储在堆中。
• 可通过 HSDB 工具查看类的加载信息。

1.2 连接

1. 验证：确保类符合 JVM 规范，进行安全性检查。主要包括以下方面：
   (1)文件格式验证
   (2)元数据验证
   (3)字节码验证
   (4)符号引用验证 Class文件在其常量池会通过字符串记录自己将要使用的其他类或者方法，检查它们是否存在
2. 例如，使用支持二进制的编辑器修改 HelloWorld.class 的魔数，然后在控制台运行。
   
3. 准备：为static分配空间，设置默认值

• JDK 7 之前，static 变量存储在 instanceKlass 末尾（方法区）；从 JDK 7 开始存储在 _java_mirror 末尾（堆）。
• 分配空间与赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成。
• 如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，值已确定，赋值在准备阶段完成；
• 引用类型的 final 变量则在初始化阶段赋值。

4. 解析：将常量池中的符号引用解析为直接引用。
   比如：方法中调用了其他方法，方法名可以理解为符号引用，而直接引用就是使用指针直接指向方法。
   

1.3 初始化

对类的静态变量、静态代码快执行初始化操作

• 初始化通过调用 cinit() 方法实现，JVM 确保线程安全。
• 如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行

初始化时机：
概括得说，类初始化是[懒惰的]

• main 方法所在的类总是首先初始化。
• 首次访问类的静态变量或静态方法时。
• 子类初始化时，如果父类未初始化，会触发父类初始化。
• 子类访问父类的静态变量，仅触发父类初始化。
• 使用 Class.forName 或 new 关键字。

不会触发初始化的情况：

• 访问类的 static final 常量（基本类型和字符串）。
• 类对象 .class。
• 创建该类的数组。
• 类加载器的 loadClass 方法。
• Class.forName 的参数为 false 时。

2. 类加载器

JDK自带有三个类加载器: bootstrap ClassLoader(启动类加载器)、Extension ClassLoader(扩展类加载器)、Application ClassLoader(应用程序类加载器)。

2.1 启动类加载器

• BootStrapClassLoader是ExtClassLoader的父类加载器，c++写的，不能通过Java代码获取实例，默认负责加载Java的核心库，如 %JAVA_ HOME%/jre/lib 下的jar包和class文件。

2.2 扩展类加载器

• ExtClassLoader是ApplicationClassLoader的父类加载器，负责加载 %JAVA_ HOME%/lib/ext 文件夹下的jar包和class类。

2.3 应用类加载器

• Application ClassLoader是自定义类加载器的父类，负责加载 classpath 下的类文件。

2.4 双亲委派模式

何为双亲委派？
所谓的双亲委派， 就是指优先委派上级类加载器进行加载，如果上级类加载器
①能找到这个类，由上级加载，加载后该类也对下级加载器可见
②找不到这个类，则下级类加载器才有资格执行加载

JVM为什么采用双亲委派机制?

1. 通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载， 当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性。
2. 让类的加载有优先次序， 保证核心类优先加载
3. 为了安全，保证类库API不会被修改

• 类加载器调用 loadClass 方法时的查找规则。这里的“双亲”更适合翻译为上级，因为它们没有继承关系。
  
  子类加载器有一个成员变量 parent 指向父加载器，loadClass 方法会调用父类。

## 2.5 自定义类加载器
Q：何时需要自定义类加载器？

1. 加载非 classpath 路径中的类文件。
2. 通过接口使用实现，常用于框架设计以实现解耦。
3. 隔离不同应用中的同名类，避免冲突，常见于 Tomcat 容器。

步骤：

1. 继承 ClassLoader。
2. 遵循双亲委派机制，重写 findClass 方法（注意不要重写 loadClass）。
3. 读取类文件的字节码。
4. 调用父类的 defineClass 方法加载类。
5. 使用者调用该类加载器的 loadClass 方法。

Q：自己编写类加载器就能加载一个假冒的java.lang.System吗?
不行。
①假设你自己的类加载器用双亲委派，那么优先由启动类加载器加载真正的java.lang.System，自然不会加载假冒的
②假设你自己的类加载器不用双亲委派，那么你的类加载器加载假冒的java.lang.System时，它需要先加载父类java.lang.Object，而你没有用委派，找不到java.lang.Object所以加载会失败
③以上也仅仅是假设。实际操作你就会发现自定义类加载器加载以java.打头的类时，会抛安全异常，在jdk9以上版本这些特殊包名都与模块进行了绑定，更连编译都过不了

3. 运行期优化

3.1 即时编译
分层编译

原因是什么呢?
JVM将执行状态分为5个层次：

• 0层，解释执行(Interpreter)
• 1层，使用C1即时编译器编译执行(不带profiling)
• 2层，使用C1即时编译器编译执行(带基本的profiling)
• 3层，使用C1即时编译器编译执行(带完全的profiling)
• 4层，使用C2即时编译器编译执行
  tip: profiling是指在运行过程中收集一些程序执行状态的数据，例如[方法的调用次数]，[循环的回边次数]等
  即时编译器(JIT) 与 解释器 的区别
• 解释器是将字节码解释为机器码，下次即使遇到相同的字节码，仍会执行重复的解释
• JIT是将一些字节码编译为机器码，并存入Code Cache， 下次遇到相同的代码，直接执行，无需再编译
• 解释器是将字节码解释为针对所有平台都通用的机器码
• JIT会根据平台类型，生成平台特定的机器码

PS: 对于不常用的代码，使用解释执行；对于热点代码，使用即时编译以提高性能。

优化方法：

• 逃逸分析：检测新建的对象是否逃逸，可以使用 -XX:-DoEscapeAnalvsis 关闭。
• 方法内联：将热点方法的代码拷贝、粘贴到调用位置。
  
• 字段优化：优先使用局部变量而非成员变量和静态成员变量。

3.2 反射优化
反射的使用会影响性能，因此应合理使用。