性能测试分析之JVM系列

Posted 2021-04-17 测试开发之道

JVM类加载机制

 

.java文件编译生成.class文件，需要装载到内存里面执行，装载到内存里面这个事情就是由类加载器完成的。

程序执行之前，会进行类的加载、连接与初始化，然后才能使用。

一、加载

1、定义：

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。

类加载最终产品是位于堆中的class对象，class对象封装了类在方法中的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

2、类加载器：

加载器有两种类型：

　　1.Java虚拟器自带的加载器

      　　根类加载器(Bootstrap)

      　　扩展类加载器(Extension)

      　　系统类加载器或称应用加载器(System)

　　后两种加载器是Java实现的，根类加载器是C++写的，程序员无法在Java代码中获得该类。

　　2.用户自定义的类加载器

      　　java.lang.ClassLoader的子类

      　　用户可以定制类的加载方式

注意：类加载器并不需要等到某个类首次主动使用时再加载他，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError)。如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

二、连接

类被加载后，就进入连接阶段，连接就是将已经读入到内存的类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去。

1、验证

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。

类的验证内容：

        1.类文件的结构检查

        　　确保类文件遵从Java类文件的固定格式。

        2.语义检查

        　　确保类本身符合Java语言的语法规定，比如验证final类型的类没有子类，以及final类型的方法没有被覆盖。

        　　注意，语义检查的错误在编译器编译阶段就会通不过，但是如果有程序员通过非编译的手段生成了类文件，其中有可能会含有语义错误，此时的语义检查主要是防止这种没有编译而生成的class文件引入的错误。 

        3.字节码验证

        　　确保字节码流可以被Java虚拟机安全地执行。

        　　字节码流代表Java方法(包括静态方法和实例方法)，它是由被称作操作码的单字节指令组成的序列，每一个操作码后都跟着一个或多个操作数。

        　　字节码验证步骤会检查每个操作码是否合法，即是否有着合法的操作数。

        4.二级制兼容性的验证

        　　确保相互引用的类之间的协调一致。

        　　例如，在Worker类的gotoWork()方法中会调用Car类的run()方法，Java虚拟机在验证Worker类时，会检查在方法区内是否存在Car类的run()方法，假如不存在(当Worker类和Car类的版本不兼容就会出现这种问题)，就会抛出NoSuchMethodError错误。

2、准备

在准备阶段，Java虚拟机为类的静态变量或方法(static)分配内存，这些内存都在方法区内分配，并设置默认的初始值。是初始值，而不是赋值。

　　例如对于以下Sample类，在准备阶段，将为int类型的静态变量a分配4个字节的内存空间，并且赋予默认值0，为long类型的静态变量b分配8个字节的内存空间，并且赋予默认值0。

 package com.mengdd.classloader;public class Sample { private static int a = 1; private static long b; static { b = 2; }}  

3、解析

在解析阶段，Java虚拟机会把常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。

　　例如在Worker类的gotoWork()方法中会引用Car类的run()方法。

 public void gotoWork() { car.run();// 这段代码在Worker类的二进制数据中表示为符号引用      }

在Worker类的二进制数据中，包含了一个对Car类的run()方法的符号引用，它由run()方法的全名和相关描述符组成。

在解析阶段，Java虚拟机会把这个符号引用替换为一个指针，该指针指向Car类的run()方法在方法区内的内存位置，这个指针就是直接引用。

三、初始化

1、定义

在初始化阶段，Java虚拟机执行类的初始化语句，根据程序员制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

在程序中，静态变量的初始化有两种途径：

　　1.在静态变量的声明处进行初始化；

　　2.在静态代码块中进行初始化。

　　没有经过显式初始化的静态变量将原有的值。

注意：静态变量的声明语句，以及静态代码块都被看做类的初始化语句，Java虚拟机会按照初始化语句在类文件中的先后顺序来依次执行它们。

2、初始化步骤

1.假如这个类还没有被加载和连接，那就先进行加载和连接。

2.假如类存在直接的父类，并且这个父类还没有被初始化，那就先初始化直接的父类。

3.假如类中存在初始化语句，那就依次执行这些初始化语句。

3、初始化时机

Java程序对类的使用方式可以分为两种：

　　1.主动使用

　　2.被动使用

所有的Java虚拟机实现必须在每个类或接口被Java程序首次主动使用时才初始化它们。

主动使用的六种情况：

　　1.创建类的实例。

new Test();　

　　2.访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值。

int b = Test.a;

Test.a = b;

　　3.调用类的静态方法

Test.doSomething();　　

　　4.反射

Class.forName(“com.mengdd.Test”);

　　5.初始化一个类的子类

class Parent{

}class Child extends Parent{

      public static int a = 3;

}

Child.a = 4;

　　6.Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

java com.mengdd.Test

 　　除了以上六种情况，其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。

接口的特殊性

　　当Java虚拟机初始化一个类时，要求它的所有父类都已经被初始化，但是这条规则并不适用于接口。

　　　　在初始化一个类时，并不会先初始化它所实现的接口。

　　　　在初始化一个接口时，并不会先初始化它的父接口。

　　因此，一个父接口并不会因为它的子接口或者实现类的初始化而初始化，只有当程序首次使用特定接口的静态变量时，才会导致该接口的初始化。

final类型的静态变量

　　final类型的静态变量是编译时常量还是变量，会影响初始化语句块的执行。

　　如果一个静态变量的值是一个编译时的常量，就不会对类型进行初始化(类的static块不执行)；

　　如果一个静态变量的值是一个非编译时的常量，即只有运行时会有确定的初始化值，则就会对这个类型进行初始化(类的static块执行)。

　　例子代码：

package com.mengdd.classloader;import java.util.Random;class FinalTest1 { public static final int x = 6 / 3; // 编译时期已经可知其值为2，是常量 // 类型不需要进行初始化 static { System.out.println("static block in FinalTest1"); // 此段语句不会被执行，即无输出 }}class FinalTest2 { public static final int x = new Random().nextInt(100);// 只有运行时才能得到值 static { System.out.println("static block in FinalTest2"); // 会进行类的初始化，即静态语句块会执行，有输出 }}public class InitTest {
 public static void main(String[] args) { System.out.println("FinalTest1: " + FinalTest1.x); System.out.println("FinalTest2: " + FinalTest2.x);    }

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