深入理解 Java 类加载机制

1、谈谈“会”的三个层次

对一门语言的学习,这里谈谈我理解的“会”的三个层次:

深入理解 Java 类加载机制_第1张图片

第一层:了解这门语言的语法、写法,我把它叫做 hello world 级别;

第二层:了解这门语言的优劣势以及它的生态,了解这门语言的能力范围,我把它叫做 应用 级别;

第三层:了解这门语言的底层运行机制,这有利于对程序进行调优,以及当程序遇到了比较罕见的问题时能够从根上分析解决它。我把它叫做 掌握 级别。

在简历上写掌握某种语言的,一般面试官也会问一些很深入原理的问题,个人认为比较合理。

2、Java类加载机制

首先我们需要思考一件事,我们编写的Java代码,是如何在各种各样的操作系统上运行起来的。

深入理解 Java 类加载机制_第2张图片

Java文件通过Javac编译成class文件,这种中间码被称为字节码。然后由JVM加载字节码。这个过程就称为类加载。
运行时,由解释器将字节码解释为一行行的机器码来执行。在程序运行期间,即时编译器会针对热点代码,将该部分字节码编译成机器码以获取更高的执行效率。

在整个运行时,解释器和即时编译器相互配合,使程序几乎能达到和编译型语言几乎一样的执行速度。这个部分交给专业的编译器开发人员来做,咱们本篇不做深入讲解。

到此上面那张图就讲完了,不要问我右上角那两个表情是怎么回事。就是发现编辑的时候竟然可以添加表情,觉得好玩就试试看。

3、类的生命周期

在详细讲解之前,我们明确一下类加载流程的目的。站在高处去看,就是把一份被javac编译过的文件通过加载,生成某种形式的class文件的数据结构送进内存。程序可以调用这个数据结构来构造出Java对象。这个过程是在运行时进行的,也是Java动态拓展性的根基。

深入理解 Java 类加载机制_第3张图片

上面这张图表现了类的整个生命周期。而类加载呢,只包含了加载、链接和初始化三个阶段。

加载只是类加载的第一个环节,两者要注意区分。解析部分是灵活的,它可以在初始化环节之前或者之后进行,实现后期绑定。类加载的其他环节的顺序是不可改变的。

3.1 加载

加载是一个读取class文件,将其转化为某种静态数据结构而存储在方法区内,并在堆中生成一个便于用户调用的Java对象的过程。
这里值得注意的是,这个Java文件不一定是本地文件,泛指各种来源的二进制流,比如网络、数据库或者比如动态代理技术这样的即时生成的class文件。

3.2 验证

验证的步骤很多,上面的图画得不完全准确。对文件格式的校验其实是发生在加载阶段的。

通过才能顺利加载。顺利加载并不代表JVM完全认可了这个类,还要进行语法和语义上的分析,保证这个类不会危害JVM,这是对元数据和字节码上的验证。

在解析阶段,还会进行符号引用的验证。

随着JVM版本的升高,验证过程也在被不断丰富。

3.3 准备

准备就是为静态变量赋初始值,注意这里的初始值是JVM默认初始值,是固定的,不是咱们写代码时的那个初始值。这里有个比较容易混淆的概念。

Java内存规范定义了方法区这种抽象概念。

主流的JVM实现如HotSpot在JDK8之前使用永久代这种在堆中开辟专门空间的实现方式,JDK8之后使用元空间这种直接内存取代。

HotSpot的实现:类的元信息、常量池、静态变量等都存在在JDK8之前都存在在永久代这种方法区的具体实现中。

JDK8之后,常量池、静态变量被从方法区移除,转移到了堆中。元信息这些依然保留在方法区,具体的存储方式改成了元空间。

4 解析

解析是将符号引用替换为直接引用。

4.1 静态解析

符号引用就是假如类A引用了类B,加载阶段是静态解析,这时候B还没有被放到JVM内存中,这时候A引用的只是代表B的符号,这是符号引用。

直接引用就是类A在解析阶段发现自己引用了B,如果这个时候B还没被加载。就是直接触发B的类加载,之后B的符号引用会被替换成实际地址。这被称为直接引用。

4.2 动态解析

本文类的生命周期部分引出了后期绑定这个概念。后期绑定其实就是动态解析。如果代码使用了多态。

B是一个抽象类或者接口,A就不能知道究竟要用哪个来替换,只能等到实际发生调动时在进行实际地址的替换。这就是为什么有的解析发生在初始化之后。

5 总结

类加载的过程今天就讲这些。咱们来回顾一下类加载的五个阶段。

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从JVM的角度看,加载的读取二进制流和初始化阶段,是开放了主导权给用户的。

用户可以使用动态代理等手段选择是否这个阶段进行加载。还可以使用多态的手段选择是否在这个阶段进行初始化。而剩下的所有部分都是JVM内部完成的。

此时你可以闭上眼睛回顾一下类加载的五个阶段,是不是不用死记硬背也能了然于胸了。

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