运行机制和JVM

Posted 2020-08-28

Java代码编译后生成一种与平台无关的字节码（也就是class文件）。当然，这种字节码不是可执行的，必须使用Java解释器来解释执行。

负责解释执行字节码文件的是Java虚拟机，即JVM。JVM是可运行Java字节码文件的虚拟计算机。所有平台上的JVM向编译器提供相同的编程接口，而编译器只需要面向虚拟机，生成虚拟机理解的代码，然后由虚拟机来解释执行。在一些虚拟机的实现中，还会将虚拟机代码转换成特定系统的机器码执行，从而提高执行效率。

当我们调用Java命令运行某个java程序时，该命令将会启动一条Java虚 拟机进程，不管该Java程序有多么复杂，该程序启动了多少个线程，它们都处于该Java虚拟机进程里。同一个JVM的所有线程、所有变量都处于同一个进程里，它们都使用该JVM进程的内存区。

当程序主动使用某个类时，如果该类还未被加载到内存中，系统会通过加载、连接、初始化三个步骤来对该类进行初始化，如果没有意外，JVM将会连续完成这三个步骤，所以有时也把这三个步骤统称为类加载或类初始化。

1. 加载

   类加载指的是将类的class文件读入内存，并为之创建一个java.lang.Class对象，也就是说程序中使用任何类时，系统都会为之建立一个java.lang.Class对象（类，实际上也是对象，它们都是java.lang.Class的实例）。

   类的加载由类加载器完成，类加载器通常由JVM提供，这些类加载器也是我们前面所有程序运行的基础，JVM提供的这些类加载器通常被称为系统类加载器。除此之外，开发者可以通过集成ClassLoader基类来创建自己的类加载器。

   类加载器通常无须等到”首次使用“该类时才加载该类，Java虚拟机规范允许系统预先加载某些类。

2. 连接

   当类被加载之后，系统为之生成一个对应的Class对象，接着将会进入连接阶段，连接阶段将会负责把类的二进制数据合并到JRE中。类连接又可分为如下三个阶段：

   • 验证：检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致
   • 准备：为类的静态属性分配内存，并设置默认初始值
   • 解析：将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用

3. 初始化

   在类的初始化阶段，虚拟机负责对类进行初始化，主要就是对静态属性进行初始化。

   在Java类中对静态属性指定初始值有两种方式：

   • 声明静态属性时指定初始值
   • 使用静态初始化块为静态属性指定初始值。如果在这两种方式中都对同一静态属性指定初始值，JVM会按这些语句在程序中的排列顺序依次执行它们

   JVM初始化一个类包含如下几个步骤：

   • 假如这个类还没有被加载和连接，程序先加载并连接该类。
   • 假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其父类。
   • 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句。

类初始化的时机

当Java程序首次通过下面6种方式来使用某个类或接口时，系统就会初始化该类或接口：

• 创建类的实例
• 调用某个类的静态方法
• 访问某个类或接口的静态属性，或为该静态属性赋值
• 使用反射方式来强制创建某个类或接口对应的java.lang.Class对象
• 初始化某个类的子类
• 直接使用java.exe命令来运行某个主类，当运行某个主类时，程序会先初始化该主类

除此之外，下面有几种情形需要特别指出： 
对于一个final型的静态属性，如果该属性可以在编译时就得到属性值，则可认为该属性可被当成编译时常量。当程序使用编译时常量时，系统会认为这是对该类的被动使用，所以不会导致该类的初始化。 
反之，如果final类型的静态属性的值不能在编译时得到，必须等到运行时才可以确定该属性的值，如果通过该类来访问该静态属性，则可以认为是主动访问使用该类，将会导致该类被初始化。