前言

JVM只認(rèn)識(shí)Class文件，也就是說(shuō)，任何一門計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，只要它最后將代碼編譯成class文件，都能被JVM所執(zhí)行。

Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等語(yǔ)言就是如此。

一、什么是Class文件

1. class文件是Java代碼經(jīng)過(guò)Javac編譯后生成的字節(jié)碼文件，如下圖所示。

2. class文件主要包含了魔數(shù)、JVM版本號(hào)、常量池、常量池計(jì)數(shù)器、訪問(wèn)標(biāo)識(shí)等信息，如下圖所示（截取自 Java虛擬機(jī)規(guī)范）

• magic：魔數(shù)，占4字節(jié)。作用是判斷這個(gè)文件是否為一個(gè)虛擬機(jī)所能接受的class文件
• minor_version:：副版本號(hào)，占2字節(jié)，最小支持版本號(hào)。
• major_version：主版本號(hào)，占2字節(jié)，最大支持版本號(hào)。
• constant_pool_count：常量池計(jì)數(shù)器，記錄常量池表中的成員數(shù)，它的值為常量池表中的成員數(shù)+1，常量池表的索引值只有在大于0并且小于constant_pool_count時(shí)才認(rèn)為是有效。
• constant_pool：常量池，包含class文件結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)中所引用的所有字符串常量、類或接口、字段名和其他常量。
• access_flag：訪問(wèn)標(biāo)志，用于表示類或接口的訪問(wèn)權(quán)限及屬性。
• this_class：類索引。
• super_class：父類索引。
• interfaces_count：接口計(jì)數(shù)器。
• interfaces_count[]：接口表。
• fields_count：字段計(jì)數(shù)器。
• fields：字段表。
• methods_count：方法計(jì)數(shù)器。
• methods[]：方法表。
• attributes_count：屬性計(jì)數(shù)器。
• attributes[]：屬性表。

3. 每一個(gè)Java類在JVM中都會(huì)對(duì)應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)C++類實(shí)例，我們稱這個(gè)C++類為Klass實(shí)例(對(duì)應(yīng)hotspot源碼中的instanceKlass類)。

Klass實(shí)例里面存儲(chǔ)了java類中所描述的方法、字段、屬性等。

如下圖所示，instanceKlass的字段皆為存儲(chǔ)java類文件中的數(shù)據(jù)所設(shè)計(jì)，詳見(jiàn)hotspot源碼中 instanceKlass.hpp文件。

ps：JVM在創(chuàng)建InstanceKlass對(duì)象時(shí)，為其申請(qǐng)的內(nèi)存空間，遠(yuǎn)超instanceKlass本身所需要得空間，這是因?yàn)镮nstanceKlass還要存虛表、接口表、以及Java類中的引用類型表。

二、class類加載的過(guò)程

1. 加載階段

• 通過(guò)類的全限定名獲取java類編譯后生成的class文件，加載進(jìn)JVM，并解析class文件。
• 解析完成后，JVM便會(huì)在內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)與Java類對(duì)等的類模板對(duì)象 instanceKlass實(shí)例(也是C++的一個(gè)類，里面保存了java類的常量池、方法、屬性等信息)。

下面奉上hotspot源碼解析常量池、字段、方法并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的Klass對(duì)象部分，代碼皆在ClassFileParser.cpp的 parseClassFile方法中，有興趣的同學(xué)可以自己看一看。

以下僅截取部分主要代碼

instanceKlassHandle ClassFileParser::parseClassFile(Symbol* name,
                                                    ClassLoaderData* loader_data,
                                                    Handle protection_domain,
                                                    KlassHandle host_klass,
                                                    GrowableArray<Handle>* cp_patches,
                                                    TempNewSymbol& parsed_name,
                                                    bool verify,
                                                    TRAPS) {
  // Constant pool   解析常量池
  constantPoolHandle cp = parse_constant_pool(CHECK_(nullHandle));
 //......
    //解析Java類字段
    Array<u2>* fields = parse_fields(class_name,
                                     access_flags.is_interface(),
                                     &fac, &java_fields_count,
                                     CHECK_(nullHandle));
    //......
    //解析Java類方法
    Array<Method*>* methods = parse_methods(access_flags.is_interface(),
                                            &promoted_flags,
                                            &has_final_method,
                                            &declares_default_methods,
                                            CHECK_(nullHandle));
    //....
    // 開(kāi)始創(chuàng)建與Java對(duì)等的Klass對(duì)象
    _klass = InstanceKlass::allocate_instance_klass(loader_data,
                                                    vtable_size,
                                                    itable_size,
                                                    info.static_field_size,
                                                    total_oop_map_size2,
                                                    rt,
                                                    access_flags,
                                                    name,
                                                    super_klass(),
                                                    !host_klass.is_null(),
                                                    CHECK_(nullHandle));
}

4.通過(guò)instanceKlass生成一個(gè)鏡像類，放在堆區(qū)，即instanceMirrorKlass實(shí)例(對(duì)應(yīng)hotspot源碼中的 instanceMirrorKlass類)。

instanceKlass供jvm內(nèi)部使用，小編認(rèn)為多生成一個(gè)instanceMirrorKlass是因?yàn)榭紤]到運(yùn)行安全因素，不能直接把類暴露給外部使用，所以弄出了個(gè)鏡像類實(shí)例提供給外部程序調(diào)用。

小貼紙：

1.java類中的靜態(tài)變量會(huì)存儲(chǔ)在instanceMirrorKlass類中，instanceMirrorKlass類里面比instanceKlass類多定義了一個(gè)靜態(tài)字段偏移量的屬性，可以通過(guò)該屬性獲取靜態(tài)變量。

2.Java中的數(shù)組類在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的生成的實(shí)例為

方法區(qū)：ArrayKlass。堆區(qū)：基本類型數(shù)組 TypeArrayKlass，引用類型數(shù)組ObjArrayKlass 分別對(duì)應(yīng)hotspot源碼里的TypeArrayKlass.cpp 與 ObjArrayKlass.cpp類

3.類加載器是什么時(shí)候加載的，如下圖，hotspot源碼java.c中有一個(gè)javaMain方法，javaMain 里面調(diào)用了LoadMainClass 方法，你的一切疑惑都在LoadMainClass里面，它的執(zhí)行邏輯是通過(guò)啟動(dòng)類加載器加載類sun.launcher.LauncherHelper，執(zhí)行該類的方法checkAndLoadMain，加載main函數(shù)所在的類，啟動(dòng)擴(kuò)展類加載器、應(yīng)用類加載器也是在這個(gè)時(shí)候完成的。

2. 驗(yàn)證

驗(yàn)證主要就是對(duì)Java虛擬機(jī)定義的一些約束進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)不通過(guò)就拋出異常。

• 靜態(tài)約束：
• 結(jié)構(gòu)化約束

3. 準(zhǔn)備

創(chuàng)建類或接口的靜態(tài)字段，并用默認(rèn)值初始化這些字段。這個(gè)階段不會(huì)執(zhí)行任何的虛擬機(jī)字節(jié)碼指令。

final修飾類的變量，已經(jīng)不會(huì)再 發(fā)生變化，所以在準(zhǔn)備階段就進(jìn)行賦值了，就沒(méi)有賦初值這個(gè)操作了。

4. 解析

我們從各種某度的文章里總會(huì)看到，解析的主要過(guò)程就是將符號(hào)引用替換為直接引用。

那么什么是符號(hào)引用呢？ 如下圖，下圖采用了jclasslib插件展示一個(gè)Java類文件編譯后產(chǎn)生的class文件信息。

我們可以看到方法里面字節(jié)碼指令后面的 #1等符號(hào)就是我們常說(shuō)的符號(hào)引用。

這個(gè)符號(hào)引用其實(shí)就是常量池中的索引(例如#1指向的就是常量池中的第一個(gè)類或方法) 如下圖所示

JVM會(huì)在準(zhǔn)備階段將這些索引符號(hào)替換為直接內(nèi)存地址。以供后續(xù)JVM指令進(jìn)行調(diào)用。

都有那些虛擬機(jī)指令需要進(jìn)行符號(hào)引用的解析呢？

anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、nvokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield、putstatic

執(zhí)行上述任何一條指令都需要對(duì)它的符號(hào)引用進(jìn)行解析。

如果在某個(gè)符號(hào)引用解析過(guò)程中發(fā)生錯(cuò)誤，那么應(yīng)該在使用該符號(hào)引用的程序處拋出IncompatibleClassChangeError或者其子類的異常

5. 初始化

初始化就是 執(zhí)行類的靜態(tài)代碼塊，并且完成靜態(tài)變量的賦值，我們可以看到

如下圖，如果我們的代碼里要是有靜態(tài)變量，并且對(duì)靜態(tài)變量進(jìn)行賦值了，那么生成的字節(jié)碼文件中就會(huì)有clinit方法。

這個(gè)clinit就是執(zhí)行靜態(tài)變量賦值的指令，而且方法中語(yǔ)句的先后順序與代碼的編寫(xiě)順序相關(guān)

既然初始化的時(shí)候可以直接對(duì)變量進(jìn)行賦值，那我們是否可以跳過(guò)準(zhǔn)備階段，直接在初始化階段進(jìn)行賦值

。因?yàn)闇?zhǔn)備階段主要是賦初值，那我們可以直接要我們寫(xiě)的值，不要初始值。 答案當(dāng)然是不行，原因如下

初始化階段主要是依靠clinit方法生成的指令進(jìn)行賦值，但是如果我們定義一個(gè)空的靜態(tài)變量，那clinit方法中就不會(huì)生成這個(gè)靜態(tài)變量相關(guān)的賦值代碼。

如下圖，所以這時(shí)就需要準(zhǔn)備階段給這個(gè)靜態(tài)變量初始化、賦初值，否則這個(gè)變量就丟掉了。

初始化之后就由JVM的執(zhí)行引擎進(jìn)行取指執(zhí)行了，執(zhí)行引擎有些過(guò)于復(fù)雜，以后有機(jī)會(huì)再分析吧。

總結(jié)

1. JVM能執(zhí)行的就是Class文件，所有計(jì)算機(jī)語(yǔ)言只要最后生成了Class文件，都可以交給JVM執(zhí)行。Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等語(yǔ)言就是如此。
2. 由于JVM是由C/C++編寫(xiě)的，所以每一個(gè)Java類加載到JVM時(shí)都會(huì)生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的C++類，即instanceKlass，存放在方法區(qū)(元空間)。同時(shí)生成一個(gè)instanceKlass的實(shí)例對(duì)象，即instanceMirrorKlass，放在堆區(qū)。
3. JVM類加載機(jī)制分為，加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化五個(gè)階段。
4. 加載階段：
   通過(guò)類的全限定名獲取存儲(chǔ)該類的class文件，并對(duì)其進(jìn)行解析
   解析后生成對(duì)應(yīng)的C++模板類，即instanceKlass實(shí)例，存放在元空間，用于JVM內(nèi)部使用
   在堆區(qū)生成該類的Class對(duì)象實(shí)例，即instanceMirrorKlass，用于其他系統(tǒng)或程序進(jìn)行調(diào)用。
5. 驗(yàn)證階段主要有靜態(tài)約束校驗(yàn)，結(jié)構(gòu)化約束校驗(yàn)兩種。
6. 準(zhǔn)備階段主要是對(duì)靜態(tài)變量賦初值的操作
7. 解析階段就是將符號(hào)引用(常量池索引)替換為直接引用(方法內(nèi)存地址)
8. 初始化就是 執(zhí)行類的靜態(tài)代碼塊，并且完成靜態(tài)變量的賦值。賦值的指令會(huì)生成在clinit方法中，當(dāng)在Java代碼中對(duì)靜態(tài)變量賦值了，clinit中才會(huì)生成對(duì)應(yīng)的指令。

擴(kuò)展問(wèn)題

• 類的初始化階段會(huì)不會(huì)有線程安全問(wèn)題？
• 類加載階段會(huì)使用synchronized鎖機(jī)制嗎？
• 類加載時(shí)延遲偏向鎖的原因?
• 如果實(shí)現(xiàn)一個(gè)類加載器，不按照類加載器機(jī)制實(shí)現(xiàn)可不可以?

到此這篇關(guān)于Java類加載之Class對(duì)象到Klass模型詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java的Class對(duì)象到Klass模型內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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