JVM運(yùn)行原理

首先從“.java”代碼文件，編譯成“.class”字節(jié)碼文件，然后類(lèi)加載器將“.class”字節(jié)碼文件中的類(lèi)給加載帶JVM中，最后就是JVM執(zhí)行寫(xiě)好的代碼。執(zhí)行過(guò)程如下圖

類(lèi)加載器

類(lèi)加載過(guò)程

加載 -> 驗(yàn)證 -> 準(zhǔn)備 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸載

加載

一旦JVM進(jìn)程啟動(dòng)之后，一定會(huì)先把類(lèi)加載到內(nèi)存中，然后從main()方法的入口代碼開(kāi)始執(zhí)行

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        
    }
}

加載指是將類(lèi)CLass文件讀入到內(nèi)存中，并創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對(duì)象

類(lèi)的加載器由類(lèi)加載器完成，類(lèi)加載器通常由JVM提供，除此之外，可以通過(guò)繼承ClassLoader基類(lèi)來(lái)創(chuàng)建自己的類(lèi)加載器

通過(guò)使用不同的類(lèi)加載器，可以從不同來(lái)源加載類(lèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)

• 從本地文件系統(tǒng)加載class文件
• 從JAR包加載class文件，JDBC編程時(shí)用到的數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)類(lèi)就放在JAR文件中，JVM可以從JAR文件中直接加載該class文件
• 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)加載class文件
• 把一個(gè)java源文件動(dòng)態(tài)編譯，并執(zhí)行加載
  

準(zhǔn)備階段

驗(yàn)證

根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，來(lái)校驗(yàn)加載進(jìn)來(lái)的“.class”文件中的內(nèi)容，是否符合指定的規(guī)范，如果“.class”文件被人篡改，里面的字節(jié)碼不符合規(guī)范，那么JVM是沒(méi)法執(zhí)行這個(gè)字節(jié)碼。所在把“.class”文件加載到內(nèi)存后，必須先驗(yàn)證一下，檢驗(yàn)他必須完全符合JVM規(guī)范，才交給JVM來(lái)運(yùn)行。其主要包括四種驗(yàn)證，文件格式驗(yàn)證，元數(shù)據(jù)驗(yàn)證，字節(jié)碼驗(yàn)證，符號(hào)引用驗(yàn)證

• 文件格式驗(yàn)證：主要驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式規(guī)范，并且能被當(dāng)前的虛擬機(jī)加載處理。例如：主，次版本號(hào)是否在當(dāng)前虛擬機(jī)處理的范圍之內(nèi)。常量池中是否有不被支持的常量類(lèi)型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合類(lèi)型的常量
• 元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語(yǔ)義的分析，分析是否符合java的語(yǔ)言語(yǔ)法的規(guī)范
• 字節(jié)碼驗(yàn)證：最重要的驗(yàn)證環(huán)節(jié)，分析數(shù)據(jù)流和控制，確定語(yǔ)義是合法的，符合邏輯的。主要的針對(duì)元數(shù)據(jù)驗(yàn)證后對(duì)方法體的驗(yàn)證。保證類(lèi)方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)有危害出現(xiàn)
• 符號(hào)引用驗(yàn)證：主要是針對(duì)符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用的時(shí)候，是會(huì)延伸到第三解析階段，主要去確定訪問(wèn)類(lèi)型等涉及到引用的情況，主要是要保證引用一定會(huì)被訪問(wèn)到，不會(huì)出現(xiàn)類(lèi)等無(wú)法訪問(wèn)的問(wèn)題

準(zhǔn)備

給引用的類(lèi)分配一定的內(nèi)存空間，然后給里面的類(lèi)變量（也就是static修飾的變量）分配內(nèi)存空間，來(lái)一個(gè)默認(rèn)的初始值

解析

實(shí)際上是把將類(lèi)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的符號(hào)引用替換成直接引用的過(guò)程，這個(gè)部分的內(nèi)容比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)到JVM的底層

• 符號(hào)引用：符號(hào)引用是以一組符號(hào)來(lái)描述所引用的目標(biāo)，符號(hào)可以是任何的字面形式的字面量，只要不會(huì)出現(xiàn)沖突能夠定位到就行。布局和內(nèi)存無(wú)關(guān)
• 直接引用：是指向目標(biāo)的指針，偏移量或者能夠直接定位的句柄。該引用是和內(nèi)存中的布局有關(guān)的，并且一定加載進(jìn)來(lái)的
  

解析主要包括：

• 類(lèi)或接口的解析
• 字段解析
• 類(lèi)方法解析
• 接口方法解析
  

初始化

初始化是為類(lèi)的靜態(tài)變量賦予正確的初始值，準(zhǔn)備階段和初始化階段看似有點(diǎn)矛盾，其實(shí)是不矛盾的，如果類(lèi)中有語(yǔ)句：private static int a = 10，它的執(zhí)行過(guò)程是這樣的，首先字節(jié)碼文件被加載到內(nèi)存后，先進(jìn)行鏈接的驗(yàn)證這一步驟，驗(yàn)證通過(guò)后準(zhǔn)備階段，給a分配內(nèi)存，因?yàn)樽兞縜是static的，所以此時(shí)a等于int類(lèi)型的默認(rèn)初始值0，即a=0,然后到解析（后面在說(shuō)），到初始化這一步驟時(shí)，才把a(bǔ)的真正的值10賦給a,此時(shí)a=10

一個(gè)非常重要的規(guī)則，就是如果初始化一個(gè)類(lèi)的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)他的父類(lèi)還沒(méi)初始化，那么必須先初始化他的父類(lèi)

加載器

啟動(dòng)類(lèi)/根類(lèi)加載器

Bootstrap ClassLoader，他主要是負(fù)責(zé)加載我們?cè)跈C(jī)器上安裝的Java目錄下的核心類(lèi)的，是用原生代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并不繼承自 java.lang.ClassLoader（負(fù)責(zé)加載$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++實(shí)現(xiàn)，不是ClassLoader子類(lèi)）。由于引導(dǎo)類(lèi)加載器涉及到虛擬機(jī)本地實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，開(kāi)發(fā)者無(wú)法直接獲取到啟動(dòng)類(lèi)加載器的引用，所以不允許直接通過(guò)引用進(jìn)行操作

擴(kuò)展類(lèi)加載器

Extension ClassLoader，負(fù)責(zé)加載JRE的擴(kuò)展目錄，lib/ext或者由java.ext.dirs系統(tǒng)屬性指定的目錄中的JAR包的類(lèi)。由Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，父類(lèi)加載器為null

應(yīng)用程序類(lèi)加載器

Application ClassLoader，被稱(chēng)為應(yīng)用（也稱(chēng)為系統(tǒng)）類(lèi)加載器，它負(fù)責(zé)在JVM啟動(dòng)時(shí)加載來(lái)自Java命令的-classpath選項(xiàng)、java.class.path系統(tǒng)屬性，或者CLASSPATH換將變量所指定的JAR包和類(lèi)路徑。程序可以通過(guò)ClassLoader的靜態(tài)方法getSystemClassLoader()來(lái)獲取系統(tǒng)類(lèi)加載器。如果沒(méi)有特別指定，則用戶(hù)自定義的類(lèi)加載器都以此類(lèi)加載器作為父加載器。由Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，父類(lèi)加載器為ExtClassLoader。

類(lèi)加載器加載Class大致要經(jīng)過(guò)如下8個(gè)步驟：

1. 檢測(cè)此Class是否載入過(guò)，即在緩沖區(qū)中是否有此Class，如果有直接進(jìn)入第8步，否則進(jìn)入第2步
2. 如果沒(méi)有父類(lèi)加載器，則要么Parent是根類(lèi)加載器，要么本身就是根類(lèi)加載器，則跳到第4步，如果父類(lèi)加載器存在，則進(jìn)入第3步
3. 請(qǐng)求使用父類(lèi)加載器去載入目標(biāo)類(lèi)，如果載入成功則跳至第8步，否則接著執(zhí)行第5步
4. 請(qǐng)求使用根類(lèi)加載器去載入目標(biāo)類(lèi)，如果載入成功則跳至第8步，否則跳至第7步
5. 當(dāng)前類(lèi)加載器嘗試尋找Class文件，如果找到則執(zhí)行第6步，如果找不到則執(zhí)行第7步
6. 從文件中載入Class，成功后跳至第8步
7. 拋出ClassNotFountException異常
8. 返回對(duì)應(yīng)的java.lang.Class對(duì)象

自定義類(lèi)加載器

除了上面那幾種之外，還可以自定義類(lèi)加載器，去根據(jù)你自己的需求加載你的類(lèi)

類(lèi)加載機(jī)制

JVM的類(lèi)加載機(jī)制主要有如下3種：

• 全盤(pán)負(fù)責(zé)：所謂全盤(pán)負(fù)責(zé)，就是當(dāng)一個(gè)類(lèi)加載器負(fù)責(zé)加載某個(gè)Class時(shí)，該Class所依賴(lài)和引用其他Class也將由該類(lèi)加載器負(fù)責(zé)載入，除非顯示使用另外一個(gè)類(lèi)加載器來(lái)載入
• 雙親委派：所謂的雙親委派，則是先讓父類(lèi)加載器試圖加載該Class，只有在父類(lèi)加載器無(wú)法加載該類(lèi)時(shí)才嘗試從自己的類(lèi)路徑中加載該類(lèi)。通俗的講，就是某個(gè)特定的類(lèi)加載器在接到加載類(lèi)的請(qǐng)求時(shí)，首先將加載任務(wù)委托給父加載器，依次遞歸，如果父加載器可以完成類(lèi)加載任務(wù)，就成功返回；只有父加載器無(wú)法完成此加載任務(wù)時(shí)，才自己去加載
• 緩存機(jī)制。緩存機(jī)制將會(huì)保證所有加載過(guò)的Class都會(huì)被緩存，當(dāng)程序中需要使用某個(gè)Class時(shí)，類(lèi)加載器先從緩存區(qū)中搜尋該Class，只有當(dāng)緩存區(qū)中不存在該Class對(duì)象時(shí)，系統(tǒng)才會(huì)讀取該類(lèi)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象，存入緩沖區(qū)中。這就是為很么修改了Class后，必須重新啟動(dòng)JVM，程序所做的修改才會(huì)生效的原因
  

雙親委派機(jī)制

這就是所謂的**雙親委派模型：**先找父親去加載，不行的話(huà)再由兒子來(lái)加載

• 雙親委派機(jī)制，其工作原理的是，如果一個(gè)類(lèi)加載器收到了類(lèi)加載請(qǐng)求，它并不會(huì)自己先去加載，而是把這個(gè)請(qǐng)求委托給父類(lèi)的加載器去執(zhí)行，如果父類(lèi)加載器還存在其父類(lèi)加載器，則進(jìn)一步向上委托，依次遞歸，請(qǐng)求最終將到達(dá)頂層的啟動(dòng)類(lèi)加載器，如果父類(lèi)加載器可以完成類(lèi)加載任務(wù)，就成功返回，倘若父類(lèi)加載器無(wú)法完成此加載任務(wù)，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載，這就是雙親委派模式，即每個(gè)兒子都很懶，每次有活就丟給父親去干，直到父親說(shuō)這件事我也干不了時(shí)，兒子自己才想辦法去完成
• 雙親委派機(jī)制的優(yōu)勢(shì)：采用雙親委派模式的是好處是Java類(lèi)隨著它的類(lèi)加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級(jí)的層次關(guān)系，通過(guò)這種層級(jí)關(guān)可以避免類(lèi)的重復(fù)加載，當(dāng)父親已經(jīng)加載了該類(lèi)時(shí)，就沒(méi)有必要子ClassLoader再加載一次。其次是考慮到安全因素，java核心api中定義類(lèi)型不會(huì)被隨意替換，假設(shè)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳遞一個(gè)名為java.lang.Integer的類(lèi)，通過(guò)雙親委托模式傳遞到啟動(dòng)類(lèi)加載器，而啟動(dòng)類(lèi)加載器在核心Java API發(fā)現(xiàn)這個(gè)名字的類(lèi)，發(fā)現(xiàn)該類(lèi)已被加載，并不會(huì)重新加載網(wǎng)絡(luò)傳遞的過(guò)來(lái)的java.lang.Integer，而直接返回已加載過(guò)的Integer.class，這樣便可以防止核心API庫(kù)被隨意篡改

總結(jié)

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