JVM(1)-类加载过程、双亲委派、Class Format

本文主要是介绍JVM(1)-类加载过程、双亲委派、Class Format，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1. jvm

1.1 什么是java虚拟机？

jvm全称为Java Virtual Machine。就是java 虚拟计算机。
计算机是干什么的，计算机是用来计算的。所以java 虚拟机理解为是用来计算java的，环境话说java虚拟机是用来解析java并运行java的。既然是计算机，java虚拟机也有自己的寄存器，堆，栈等。

1.2 那么我们平常说的jvm内存和实际的物理内存是什么关系呢？

1. 物理（操作系统）内存指的就是电脑本身的内存，内存条的内存。而jvm是运行在操作系统上的，所以jvm内存是向物理内存申请的内存。
2. 操作系统内存分为栈和堆。栈由操作系统进行管理，也由操作系统进行垃圾回收。而堆是由用户自己分配使用（比如安装种各样的软件等。）
3. 而jvm就是在操作系统的堆中分配的内存空间。
4. jvm虚拟机中也存在jvm的栈、堆等。
5. 如图所示：
   

2. java 从编译到执行流程

既然jvm是用来解析和运行java的，到底是怎么做的呢？

1. 首先我们编程的java文件是存储在硬盘中的，通过javac命令，将.java文件编译成.class文件。
2. 当我们执行的时候，ClassLoader就会将.class文件加载到jvm内存中
3. jvm通过解释器编译器将class文件解释成2进制，进行计算执行。

2.1 jvm是解释执行还是编译执行

jvm执行class有两种方式。
通过解释器执行，每次都进行解释，然后执行。启动比较快，但是每次都需要解释，执行慢。
通过即时编译执行，编译到本地。启动时需要编译，启动比较慢，但编译完成后执行速度快。
基于这种情况，一般采用混合执行。对于一部分热数据，进行本地编译执行，其他的还是解释执行。这样既保证了启动不会很慢，也能保证一些热数据运行很快。

2.2 jvm Java Virtual Machine

1. java是跨平台的语言，一次编译多处运行。
2. jvm跨语言的平台。java scala kolin groovy 等语言。
   任何语言，只要能变成class，就可以在jvm上执行。
   不论是谁，只要能变成class文件，就是jvm的菜
3. jvm 和java无关，jvm只跟class文件有关
4. jvm规范
   java virtual machine specifications(java虚拟机规范)
   地址：
   http://docs.oracle.com/en/java/javase/13/
   jvm是虚构出来的一台计算机。有自己的内存，cpu，储存器等指令集等。
5. jvm的实现
   jvm是一种规范，每种环境上都有自己的实现
   linux unix windows每种都有自己的实现
   oracle官方提供的实现为：Hotspot 。
   可用通过java -version命令查看
   通过下图观察到jvm执行是通过 mixed mode 解释执行和编译执行混合的。
   
6. 其他的jvm实现
   Jrockit ，曾号称世界最快的jvm。后被Oracle收购，合并于hotspot
   TaobaoVm 是hotspot深度定制版
   LiquidVm 直接针对硬件的
   azul zing 最新垃圾回收的业界标杆。号称1ms以内，后来被hotspot吸收，发明了ZGC

3. JDK JRE JVM

jvm 执行class
jre 运行时环境，除了虚拟机，还需要一些核心类库。String Object等
jdk jre+ development kit 开发的一些工具等。

4.Class File Format

4.1 class文件格式解读

1. 任何文件打开都是 0 1 01 …二进制文件，二进制字节流。计算机最终执行也是按照二进制进行执行的。那么我们的class文件到底是什么样子的呢？一个class文件到底都包含什么呢。
2. 我们都知道，我们在编写一个java文件的时候，java文件中都有什么，有类型，有属性，有方法，会继承父类，会实现接口，还可以定义常量。但是当编译成class是什么结构呢。
3. class的结构。标准calss文件结构。
   魔术 Magic Number
   版本号 （小版本号Minor Version ，大版本号Major Version），合起来就是这个版本号。例如jdk1.8 的版本号就是52.0. jdk1.7是51.0
   常量池count Contant_Pool_Count
   常量池具体实现 Contant_Pool
   类的访问修饰符 access_flags
   当前类名 this_class
   父类名 super_class
   实现的接口数量 interface_count
   具体的接口 iinterfaces
   属性数量 fileds_count
   具体属性 filed
   方法数量 method_count()
   具体方法 mthods
   额外属性数量 attributes_count
   额外属性具体 attributes

4.2 class文件解读

1. 数据类型：u1 u2 u4 u8。主要根据所用字节个数区分的。
   u1 表示占一个字节，u2表示占2个字节
2. 查看16进制的class file
   sublim/notepad++
   idea插件：BinEd
3. 有很多可以观察byteCode(字节码)的方法
   javap
   JBE
   JClassLib idea插件
4. classfile的构成

ClassFile{
u4 Magic Number
u2 minor Version
u2 Major Version
u2 Contant_Pool_Count
…
}
5. 16进制解读
CA FE BA BE 这个class文件 --》magic
00 00 minor version —》.0
00 34 major version —》 52
00 10 —》constan_pool_count常量池数量
。。。。—》具体的常量池，从#1号开始

5. 类加载

class文件是如何从硬盘中进入到内存中的呢

class文件 -----> classload------>linking（verification Preparetion Resolution） ------> Initializing
过程：

1. 将.class文件通过类加载器ClassLoad加载到jvm内存中。
2. 在jvm中进行校验（verfication），准备（preparation，静态变量赋默认值），（resolution）等。
3. 然后进行initializing初始化。（静态变量赋初始值）
4. 当运行完毕后，被GC

当一个class文件被jvm加载后会生成两个部分：
1.class文件中的二进制结构被读取的内存空间中
2. 在class文件被存到内存中时会生成一个Class对象指向这块内存。这个Class对象不是存储在队中的，存在metaspace中。
如果对java 反射代码比较熟悉的话比较好理解。我们的类会生成一个这个类的Class对象，通过这个Class对像可以利用反射获取到这个对象的各种结构。

5.1 类加载器

class文件 需要通过类加载器 加载到内存中。
不同的类加载器：

1. Bootstrap 最顶层的加载器，加载范围：C++,lib/rt.jar charset.jar 等核心包
   问题：Bootstap的classLoad为什么是null，是由于BootSrap是C++开发的，在java中没有一个类名对应。
2. Extension 加载范围：加载扩展jar包 jre/lib/ext/*.jar
3. App 加载范围：加载classpath指定内容。也是我们平常编写代码的加载器
4. 自定义类加载器。Custom ClassLoader 自定义加载器ClassLoader，自定义加载范围

5.2 加载过程-双亲委派机制

1. 双亲委派过程
   自下往上检查是否在缓存中
   自上而下委托去find并加载。
   为啥要搞双亲委派？主要是为了安全。
   如果自己搞一个java.lang.String覆盖jdk的，那么就会用我们自己的String这样就会有危险。

2. 父加载器 父类加载器
   父加载器不是 类加载器的加载器，不是getClassLoad().getClass().getClassLoad()
   父加载器 不是 类加载器的父类加载器。不是继承关系中的父类
   父加载器是 getPanrent()

3. 加载器的范围
   加载器的加载范围。是在Launcher源码中指定的。
   Bootstrap 最顶层的加载器，C++,lib/rt.jar charset.jar 等核心包。
   Extension 加载扩展jar包 jre/lib/ext/*.jar
   App 加载classpath指定内容

5.3. 双亲委派机制

双亲委派是可以被打破的。重写loadClass方法
双亲委派机制是在loadClass中实现的。
什么场景需要打破双亲委派呢

1. JDK1.2之前，自定义ClassLoader都必须重写loadClass()
2. ThreadContextClassLoader可以实现基础类调用实现类代码，通过thread.setContextClassLoader指定
3. 热启动，热部署(场景比较多)
   osgi tomcat 都有自己的模块指定classloader（可以加载同一类库的不同版本），重写了loadClass方法
4. 打破双亲委派机制实现热部署小例子
   现状：自定义classLoad类，重写findClass()方法。这种是无法打破双亲委派机制的。
   打破：自定义classLoad类，重写loadClass()方法。打破双亲委派机制。（tomcat热部署就是这么实现的）
   热部署的时候就是将整个ClassLoad干掉，重新加载一遍类。实现热部署。

5.4 自定义加载器

1. 每个加载类都有loadClass()方法。该方法先是向上查找父类加载器是否已经加载过，如果没有加载，则开始向下委托去加载。双亲委派
2. 自定义加载器
   实现findClass()方法。将.class文件read到内存中二进制数组，通过defineClass()方法获取这个class文件的对象，并return
3. 加密
   可以通过对每个二进制字节进行^ 异或操作进行加密。
   在使用时，可以在通过^异或操作进行解密。 一个二进制字节通过两个次异或操作还是原值。
4. ClassLoad加载器的Parent是怎么指定的呢
   通过ClassLoader的构造方法
   ClassLoader(ClassLoader parent)进行指定。
   默认的父类加载器是AppClassLoader。
   ClassLoader.getSystemClassLoader()系统默认ClassLoader

5.5 编译器和解释器

java是通过jvm的解释器 和 JIT(热点代码编译)编译器来执行的。
混合模式：

1. 起始阶段采用解释执行
2. 热点代码检测
   多次调用的方法：方法计数器：检测方法执行频率
   多次调用的循环：循环计数器：检测循环执行频率
   进行编译。编译成本地代码
3. -Xmixed 混合模式
   -Xint 解释模式，启动快，执行慢
   -Xcomp 纯编译，启动慢，执行快

5.6 lazyloading

1. lazyloading严格讲应该叫lazyInitalizing
   jvm规范没有规定何时进行加载，但是严格规定了什么时候必须初始化。
   注：调用final 静态属性不会初始化类。
2. 当一个类在被使用的时候才会去加载这个类。
   lazyInitalizing5中情况：
   –new getstatic putstatic invokestatic指令，访问final变量除外
   –java.lang.reflect对类进行反射调用时
   –初始化子类的时候，父类首先初始化
   –虚拟机启动时，被执行的主类必须初始化
   –动态语言支持java.lang.invoke.MethodHandle解析的结果为REF_getstatic REF_putstatic REF_invokestatic的方法句柄时，该类必须初始化

6. linking

1. Verification 验证文件是否符合JVM规定
2. Preparation 静态成员变量赋默认值。
3. Resolution 就是将符号引用变成真实的地址指针，指向真正的地址
   将类、方法、属性等符号引用解析为直接引用
   换句话说，就是常量池中的各种符合引用解析为指针，偏移量的内存地址直接引用

7. initilazing

调用类初始化代码 ，给静态成员变量赋初始值
成员变量赋值，也分为两步

1. 先new，申请分配内存空间时，成员变量赋默认值
2. 调用构造方法，进行初始化，赋初始值。
   总结：
   load->赋默认值 ->赋初始值
   new ->申请内存-> 赋默认值->赋初始值

这篇关于JVM(1)-类加载过程、双亲委派、Class Format的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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