一个java文件的JVM之旅

准备

我是小C同学编写得一个java文件，如何实现我的功能呢？需要去JVM(Java Virtual Machine)这个地方旅行。

变身

我高高兴兴的来到JVM，想要开始JVM之旅，它确说：“现在的我还不能进去，需要做一次转换，生成class文件才行”。为什么这样呢？

JVM不能直接加载java文件的原因:

• Java源代码中包含了许多高级语言特性和语法，比如类、继承、多态、异常处理等等。这些高级特性在JVM中没有直接对应的形式，只有通过编译器的处理才能转化为JVM可以理解的字节码指令。
• Java源代码需要经过编译器的编译过程，才能生成相应的字节码文件，然后再由JVM加载、解释执行。在编译过程中，编译器对源代码进行语法分析、类型检查、优化等操作，最终生成与目标平台兼容的Java字节码文件。
• JVM只能够加载和运行符合Java虚拟机规范的.class字节码文件，而不能够直接加载和运行Java源代码文件。

编译

知道原因后，我又问JVM，我怎么才能变成class文件呢，JVM告诉我可以通过javac命令。

javac

javac 是 Java 编译器命令，用于将 Java 源代码文件编译成字节码文件（.class 文件）。

命令格式

javac [options] [source files]

• options：为编译选项，可以控制编译器的行为，例如指定类路径、生成调试信息、压缩文件等。
• source files：为需要编译的 Java 源代码文件，可以指定多个文件，用空格隔开。如果不指定源代码文件，则 `javac` 命令会在当前目录查找所有扩展名为 .java 的文件进行编译。

需要注意的是，`javac` 命令需要在正确配置 JDK 环境后才能使用。JDK（Java Development Kit）是 Java 开发工具包的缩写，是 Java 应用程序开发的核心组件之一。

具体实现

编译器在编译源文件时，需要对源文件进行语法分析、语义分析和类型检查等操作。

• 语法分析：javac命令首先将源文件读入内存，然后进行词法分析和语法分析。词法分析器负责将源文件中的字符序列转换成一个个单词（Token），然后语法分析器将单词组合成可以被解释执行的语法结构，形成抽象语法树（AST）。
• 语义分析：javac命令在生成AST之后，进行语义分析。语义分析器主要是为了检查程序中是否存在语义错误，例如变量未定义、类型不匹配等，如果发现语义错误，编译器会输出错误信息，并中止编译过程，不会生成字节码文件。
• 类型检查：javac命令在语义分析的基础上，进行类型检查。类型检查器主要是检查程序的类型是否匹配和兼容，如果类型不匹配或不兼容，编译器会在编译期间报告错误。
• 代码生成：javac命令在生成抽象语法树后，对其进行优化和转化，最终生成字节码文件。编译器会根据目标代码的平台和版本，生成适当的字节码文件。

执行

知道怎么变身后，我立即通过javac命令，让自己变成可以被JVM执行的class文件。

加载

变成class文件后，我怎么能进入JVM内部呢，是走着去还是坐车去呢？JVM告诉我要通过类加载器进入。

类加载器

Java类加载器是Java虚拟机（JVM）中的一个重要组件，它负责将类文件（.class文件）加载到JVM中。

分类

Java 中的类加载器是按照其加载类的特点进行分类的，主要有以下几种类型：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载 JRE/lib/rt.jar 中的核心 Java 类库，是最顶层的类加载器，不是 Java 类（因为在 JVM 实现时就已经存在）。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：负责加载 JRE/lib/ext 目录下的扩展类库，也是由 C++ 实现的类加载器。
• 应用程序类加载器（APP ClassLoader）：负责加载应用程序的类，包括在 CLASSPATH 中指定的类库或者目录中的 Java 类。
• 自定义类加载器（Custom ClassLoader）：继承自 ClassLoader 类，实现自己的类加载器，主要用于加载一些自定义的类或者修改某些类的字节码。

查看使用的类加载器

代码：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        //启动类加载器
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        //扩展类加载器
        System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader());
        //应用程序类加载器
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());
        //扩展类加载器的父加载器
        System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader().getParent());
        //应用程序类加载器的父加载器
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());
    }
}

执行结果：

自定义类加载器

自定义类加载器主要包括两种类型：

• 独立的自定义类加载器，通过重载 ClassLoader 类中的 findClass 方法来实现加载类文件的功能；
• 基于 URLClassLoader 类实现的自定义类加载器，使用 URL 的形式来指定类文件的位置。

重载ClassLoader

代码：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    private String basePath;

    public CustomClassLoader(String basePath) {
        this.basePath = basePath;
    }

    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = getClassData(name);
        if (data == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            // 使用 defineClass 方法将 byte 数组转换为 Class 对象
            return defineClass(name, data, 0, data.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = basePath + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try (InputStream inputStream = new FileInputStream(path);
             ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream()) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = inputStream.read(buffer)) != -1) {
                outputStream.write(buffer, 0, length);
            }
            return outputStream.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

说明：

上述代码继承了ClassLoader类，并重写了其中的findClass()方法，实现从指定目录中加载类文件的功能。

在findClass()方法中，首先通过getClassData()方法读取并返回类文件的字节数组，如果获取的字节数组为空，则抛出ClassNotFoundException异常；否则，使用defineClass()方法将字节数组转换为 Class 对象，并返回该对象。

在getClassData()方法中，根据传入的类名生成类文件路径，并使用FileInputStream将类文件读入字节数组中。

使用:

public class CustomClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建自定义类加载器，指定类文件所在的目录
        CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("F:\\classes");

        // 使用自定义类加载器加载 Hello 类
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.something.Hello");
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(obj);
    }
}

基于 URLClassLoader

代码：

public class CustomURLClassLoader extends URLClassLoader {
    public CustomURLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
        super(urls, parent);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 调用父类 loadClass 方法进行委托加载
            Class<?> clazz = super.findClass(name);
            return clazz;
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 如果父类无法加载，则尝试在 URL 中加载
            byte[] data = getClassData(name);
            if (data == null) {
                throw new ClassNotFoundException();
            } else {
                // 使用 defineClass 方法将 byte 数组转换为 Class 对象
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            }
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = className.replace('.', '/') + ".class";
        URL[] urls = getURLs();
        for (URL url : urls) {
            try {
                URL classUrl = new URL(url, path);
                // 使用 URLConnection 检查类文件是否存在
                try (InputStream is = classUrl.openStream();
                     ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream()) {
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    int length;
                    while ((length = is.read(buffer)) != -1) {
                        os.write(buffer, 0, length);
                    }
                    return os.toByteArray();
                }
            } catch (IOException e) {
                // ignore and try next URL
            }
        }
        return null;
    }
}

说明：

上述代码继承了 `URLClassLoader` 类，并重写了其中的 `findClass()` 方法，实现先尝试使用父类加载器进行加载，如果无法加载，则尝试使用 URL 加载类文件的功能。在 `getClassData()` 方法中，会遍历 `URLClassLoader` 中定义的 URL，检查类文件是否存在，并返回类文件的字节数组，如果无法找到类文件，则返回 `null`。

使用：

public class CustomURLClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 创建 URL 数组，指定类文件所在的 URL
        URL[] urls = { new URL("file:F:\\classes") };

        // 创建父类加载器，使用系统类加载器
        ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader();

        // 创建自定义 URL 类加载器
        CustomURLClassLoader classLoader = new CustomURLClassLoader(urls, parent);

        // 使用自定义 URL 类加载器加载 Hello 类
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.something.Hello");
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(obj);
    }
}

双亲委派

加载器那么多，我具体是哪个类进行加载得呢？双亲委派机制告诉我答案.

定义

双亲委派是一种Java类加载器的工作机制，它将类加载请求委派给父类加载器，直到顶级系统类加载器。基本思想是，除非有特殊需求，否则所有类的加载任务都应该由父类加载器完成，从而保证Java核心库的类型安全和稳定性，并防止恶意代码的自行布置。如果一个类没有在父类加载器中被发现，子类加载器才会尝试加载该类。这种类加载器之间的父子关系被称为“双亲委派模型”.

如图：

意义

为什么通过双亲委派进行加载呢？

• 避免重复加载
• 提高安全性
• 维护Java平台的一致性
• 代码优化

Linking

加载过后，我是否就可以被使用了呢？答案是否定的，我还要经历Lingking 阶段，包括Verification、Preparation 和 Resolution。

Verification(验证)

在验证阶段，Java虚拟机会进行语法与语义的检查，以保证class文件的完整性和正确性，同时保证被加载的class与虚拟机的版本兼容。主要的检查内容包括文件格式、字节码语义、符号引用等。

Preparation(准备)

在准备阶段，Java虚拟机会为类变量分配内存，并且赋予初始值。如果类变量包含有静态变量，那么这时也会初始化静态变量。因此，在这个阶段，类变量所使用的空间已经被分配，将其设置为默认初始值即可。

Resolution(解析)

在解析阶段，将类或接口中的符号引用转化为直接引用的过程。在 Java 虚拟机加载类时，符号引用是一种指向常量池中某个符号的引用，而直接引用则是指向内存中某个位置的直接指针。解析阶段可以理解为是在解决类之间的依赖关系，使各个类之间可以像使用自身成员一样使用别的类中的成员。

初始化

在验证、准备和解析后，我还要经过初始化，才能被使用。

定义

初始化是指在类加载过程的最后一步，JVM要对类进行一些初始化的操作，确保类可以安全地使用。在这个阶段，往往包括静态变量显式赋值和静态代码块执行。

内容

静态变量显式赋值

当类加载器完成类的加载、验证、准备后，在初始化阶段，JVM对类的静态变量进行显式赋值。如果类定义了多个静态变量，JVM会按照代码中声明的顺序进行初始化，并且若发现此过程需要访问到其他未初始化的类，JVM会先完成这些类的初始化。

静态代码块的执行

除了静态变量的显式赋值，类的静态代码块也会在初始化阶段执行。当JVM执行类加载的Initializing阶段时，会执行类中所有静态代码块的内容，如果类中没有定义静态代码块，则不执行。这个过程一般用于在使用之前对类进行初始化。

接口初始化

当一个类在初始化时，如果发现其父类还未进行初始化，JVM会先对其父类进行初始化。如果该类实现了接口，也会对这个接口进行初始化操作，接口的初始化过程和类一样，都会进行静态变量显式赋值及静态代码块执行，同时还会检查接口中的所有静态方法。

功能实现

初始化之后，我才真正的进入JVM中，其它小伙伴需要我的时候，只需要创建我的实例，就可以使用我的功能了，得到我帮助得小伙伴都很感谢我。

GC

在JVM中我过得很开心，也留下了很多足迹。在我走后，如何让我得足迹不对其他小伙伴有影响呢？GC可以帮我解决这个问题。

定义

GC（Garbage Collection）是JVM提供的垃圾回收机制。在Java中，对象是动态分配的，内存是由JVM自动管理，而不是由程序员手动分配和释放。当一个对象不再被程序引用时，就应该由垃圾回收器回收其占用的内存，这样可以防止内存泄漏和提高内存的。

小结

通过我的旅行，你知道JVM是怎么加载一个类的了么？我们通过加载、Linking、初始化和使用等各个阶段，将Java类完整地载入内存并执行其中定义的方法和变量。这个过程中，每个阶段都扮演着不同的角色，并为类的正常运行提供了必要的支持。

作者：京东物流 陈昌浩

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