面试必考题——JVM加载class文件的原理机制

Posted 2021-09-10 敲代码的程序狗

1、JVM 简介

JVM 是我们Javaer 的最基本功底了，刚开始学Java 的时候，一般都是从“Hello World ”开始的，然后会写个复杂点class ，然后再找一些开源框架，比如Spring ，Hibernate 等等，再然后就开发企业级的应用，比如网站、企业内部应用、实时交易系统等等，直到某一天突然发现做的系统咋就这么慢呢，而且时不时还来个内存溢出什么的，今天是交易系统报了StackOverflowError ，明天是网站系统报了个OutOfMemoryError ，这种错误又很难重现，只有分析Javacore 和dump 文件，运气好点还能分析出个结果，运行遭的点，就直接去庙里烧香吧！每天接客户的电话都是战战兢兢的，生怕再出什么幺蛾子了。我想Java 做的久一点的都有这样的经历，那这些问题的最终根结是在哪呢？—— JVM 。

JVM 全称是Java Virtual Machine ，Java 虚拟机，也就是在计算机上再虚拟一个计算机，这和我们使用 VMWare不一样，那个虚拟的东西你是可以看到的，这个JVM 你是看不到的，它存在内存中。我们知道计算机的基本构成是：运算器、控制器、存储器、输入和输出设备，那这个JVM 也是有这成套的元素，运算器是当然是交给硬件CPU 还处理了，只是为了适应“一次编译，随处运行”的情况，需要做一个翻译动作，于是就用了JVM 自己的命令集，这与汇编的命令集有点类似，每一种汇编命令集针对一个系列的CPU ，比如8086 系列的汇编也是可以用在8088 上的，但是就不能跑在8051 上，而JVM 的命令集则是可以到处运行的，因为JVM 做了翻译，根据不同的CPU ，翻译成不同的机器语言。

JVM 中我们最需要深入理解的就是它的存储部分，存储？硬盘？NO ，NO ， JVM 是一个内存中的虚拟机，那它的存储就是内存了，我们写的所有类、常量、变量、方法都在内存中，这决定着我们程序运行的是否健壮、是否高效，接下来的部分就是重点介绍之。

2、JVM 的组成部分

我们先把JVM 这个虚拟机画出来，如下图所示：

从这个图中可以看到，JVM 是运行在操作系统之上的，它与硬件没有直接的交互。我们再来看下JVM 有哪些组成部分，如下图所示：

该图参考了网上广为流传的JVM 构成图，大家看这个图，整个JVM 分为四部分：

Class Loader 类加载器

类加载器的作用是加载类文件到内存，比如编写一个HelloWord.java 程序，然后通过javac 编译成class 文件，那怎么才能加载到内存中被执行呢？Class Loader 承担的就是这个责任，那不可能随便建立一个.class 文件就能被加载的，Class Loader 加载的class 文件是有格式要求，在《JVM Specification 》中式这样定义Class 文件的结构：

  ClassFile {
      u4 magic;
      u2 minor_version;
       u2 major_version;
      u2 constant_pool_count;
      cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
      u2 access_flags;
      u2 this_class;
      u2 super_class;
      u2 interfaces_count;
      u2 interfaces[interfaces_count];
      u2 fields_count;
      field_info fields[fields_count];
      u2 methods_count;
      method_info methods[methods_count];
      u2 attributes_count;
      attribute_info attributes[attributes_count];
    }

需要详细了解的话，可以仔细阅读《JVM Specification 》的第四章“The class File Format ”，这里不再详细说明。

友情提示：Class Loader 只管加载，只要符合文件结构就加载，至于说能不能运行，则不是它负责的，那是由Execution Engine 负责的。

Execution Engine 执行引擎

执行引擎也叫做解释器(Interpreter) ，负责解释命令，提交操作系统执行。

Native Interface 本地接口

本地接口的作用是融合不同的编程语言为Java 所用，它的初衷是融合C/C++ 程序，Java 诞生的时候是C/C++ 横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++ 程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native 的代码，它的具体做法是Native Method Stack 中登记native 方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies 。目前该方法使用的是越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java 程序驱动打印机，或者Java 系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket 通信，也可以使用Web Service 等等，不多做介绍。

Runtime data area 运行数据区

运行数据区是整个JVM 的重点。我们所有写的程序都被加载到这里，之后才开始运行，Java 生态系统如此的繁荣，得益于该区域的优良自治。

整个JVM 框架由加载器加载文件，然后执行器在内存中处理数据，需要与异构系统交互是可以通过本地接口进行，瞧，一个完整的系统诞生了！

3、JVM加载class文件的原理机制

Java中的所有类，都需要由类加载器装载到JVM中才能运行。类加载器本身也是一个类，而它的工作就是把class文件从硬盘读取到内存中。在写程序的时候，我们几乎不需要关心类的加载，因为这些都是隐式装载的，除非我们有特殊的用法，像是反射，就需要显式的加载所需要的类。

类装载方式，有两种

• 隐式装载， 程序在运行过程中当碰到通过new 等方式生成对象时，隐式调用类装载器加载对应的类到jvm中，
• 显式装载， 通过class.forname()等方法，显式加载需要的类

隐式加载与显式加载的区别：两者本质是一样?

Java类的加载是动态的，它并不会一次性将所有类全部加载后再运行，而是保证程序运行的基础类(像是基类)完全加载到jvm中，至于其他类，则在需要的时候才加载。这当然就是为了节省内存开销。

Java的类加载器有三个，对应Java的三种类:（java中的类大致分为三种： 1.系统类 2.扩展类 3.由程序员自定义的类 ）

 Bootstrap Loader  // 负责加载系统类 (指的是内置类，像是String，对应于C#中的System类和C/C++标准库中的类)
        | 
      - - ExtClassLoader   // 负责加载扩展类(就是继承类和实现类)
                      | 
                  - - AppClassLoader   // 负责加载应用类(程序员自定义的类)

三个加载器各自完成自己的工作，但它们是如何协调工作呢？哪一个类该由哪个类加载器完成呢？为了解决这个问题，Java采用了委托模型机制。

委托模型机制的工作原理很简单：当类加载器需要加载类的时候，先请示其Parent(即上一层加载器)在其搜索路径载入，如果找不到，才在自己的搜索路径搜索该类。这样的顺序其实就是加载器层次上自顶而下的搜索，因为加载器必须保证基础类的加载。之所以是这种机制，还有一个安全上的考虑：如果某人将一个恶意的基础类加载到jvm，委托模型机制会搜索其父类加载器，显然是不可能找到的，自然就不会将该类加载进来。

我们可以通过这样的代码来获取类加载器:

ClassLoader loader = ClassName.class.getClassLoader();
ClassLoader ParentLoader = loader.getParent();

注意一个很重要的问题，就是Java在逻辑上并不存在BootstrapKLoader的实体！因为它是用C++编写的，所以打印其内容将会得到null。

前面是对类加载器的简单介绍，它的原理机制非常简单，就是下面几个步骤:

1.装载:查找和导入class文件;

2.连接:

  (1)检查:检查载入的class文件数据的正确性;

  (2)准备:为类的静态变量分配存储空间;

  (3)解析:将符号引用转换成直接引用(这一步是可选的)

3.初始化:初始化静态变量，静态代码块。

  这样的过程在程序调用类的静态成员的时候开始执行，所以静态方法main()才会成为一般程序的入口方法。类的构造器也会引发该动作。