JVM加載class文件原理

2019-11-11 02:40:59

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前言

學習java、Android也有差不多半年時間了，是時候記錄一下學習過程中的心得和經驗，這篇文章就是簡單描述一下JVM加載class文件的機制。

JVM組成

圖1 JVM組成

Classloader 類加載器，負責查找并裝載Class 文件到內存，最終形成可以被虛擬機直接使用的Java類型Class Area 方法區(qū)，在類裝載器加載class文件到內存的過程中，虛擬機會提取其中的類型信息，并將這些信息存儲到方法區(qū)。方法區(qū)用于存儲已被虛擬機加載的類信息、常量、靜態(tài)變量、即時編譯器編譯后的代碼等數據。Heap 堆，存儲Java程序創(chuàng)建的類實例。Stack 棧，每當啟動一個新線程時，Java虛擬機都會為它分配一個Java棧。Java棧以幀為單位保存線程的運行狀態(tài)。虛擬機只會直接對Java棧執(zhí)行兩種操作：以幀為單位的壓?；虺鰲?。當線程調用java方法時，虛擬機壓入一個新的棧幀到該線程的java棧中。當方法返回時，這個棧幀被從java棧中彈出并拋棄。一個棧幀包含一個java方法的調用狀態(tài)，它存儲有局部變量表、操作棧、動態(tài)鏈接、方法出口等信息。PC Register PC寄存器(程序計數器)：一個運行中的Java程序，每當啟動一個新線程時，都會為這個新線程創(chuàng)建一個自己的PC寄存器(程序計數器)。程序計數器的作用可以看做是當前線程所執(zhí)行的字節(jié)碼的行號指示器。字節(jié)碼解釋器工作時就是通過改變這個計數器的值來選取下一條需要執(zhí)行的字節(jié)碼指令，分支、循環(huán)、跳轉、異常處理、線程恢復等基礎功能都需要依賴這個計數器來完成。如果線程正在執(zhí)行的是一個Java方法，這個計數器記錄的是正在執(zhí)行的虛擬機字節(jié)碼指令的地址；如果正在執(zhí)行的是Natvie方法，這個計數器值則為空(Undefined)。Native Method Stack 本地方法棧，本地方法棧與虛擬機棧所發(fā)揮的作用是非常相似的，其區(qū)別不過是虛擬機棧為虛擬機執(zhí)行Java方法（也就是字節(jié)碼）服務，而本地方法棧則是為虛擬機使用到的Native方法服務。任何本地方法接口都會使用某種本地方法棧。當線程調用Java方法時，虛擬機會創(chuàng)建一個新的棧幀并壓入Java棧。然而當它調用的是本地方法時，虛擬機會保持Java棧不變，不再在線程的Java棧中壓入新的幀，虛擬機只是簡單地動態(tài)鏈接并直接調用指定的本地方法。如果某個虛擬機實現的本地方法接口是使用C連接模型的話，那么它的本地方法棧就是C棧。execution engine 執(zhí)行引擎，負責執(zhí)行字節(jié)碼。方法的字節(jié)碼是由Java虛擬機的指令序列構成的。每一條指令包含一個單字節(jié)的操作碼，后面跟隨0個或多個操作數。執(zhí)行引擎執(zhí)行字節(jié)碼時，首先取得一個操作碼，如果操作碼有操作數，取得它的操作數。它執(zhí)行操作碼和跟隨的操作數規(guī)定的動作，然后再取得下一個操作碼。這個執(zhí)行字節(jié)碼的過程在線程完成前將一直持續(xù)。Native Method interface 本地方法接口，作用是融合不同的編程語言為Java 所用，它的初衷是融合C/C++ 程序，Java 誕生的時候是C/C++ 橫行的時候，要想立足，必須有一個聰明的、睿智的調用C/C++ 程序，于是就在內存中專門開辟了一塊區(qū)域處理標記為native 的代碼，它的具體做法是Native Method Stack 中登記native 方法，在Execution Engine 執(zhí)行時加載native libraies 。目前該方法使用的是越來越少了，除非是與硬件有關的應用，比如通過Java 程序驅動打印機，或者Java 系統(tǒng)管理生產設備，在企業(yè)級應用中已經比較少見，因為現在的異構領域間的通信很發(fā)達，比如可以使用Socket 通信，也可以使用Web Service 等等，不多做介紹。

Classloader體系結構

Java中的類加載器實質上也是類，功能是把類載入jvm中，值得注意的是jvm的類裝載器并不是一個，而是三個： 1. BootstrapLoader 啟動類裝載器：每個Java虛擬機實現都必須有一個啟動類裝載器。它只負責在系統(tǒng)類(核心Java API的class文件)的安裝路徑中查找要裝入的類。這個裝載器的實現由C++ 所撰寫而成，是JVM實現的一部分。 2. ExtClassLoader 擴展類裝載器：負責除核心Java API以外的其它class文件的裝載。例如、用于安裝或下載標準擴展的class文件,在類路徑中發(fā)現的類庫的class文件,用于應用程序運行的class文件等等。 3. AppClassLoader 用戶自定義類裝載器：負責除核心Java API以外的其它class文件的裝載。這里有一點需要注意：自定義類裝載器并非由應用程序員自己實現，它也是JVM

JVM加載class的過程

當我們使用命令來執(zhí)行某一個Java程序(比如Test.class)的時候：java Test (1) java.exe 會幫助我們找到 JRE ，接著找到位于 JRE 內部的 jvm.dll ，這才是真正的 Java 虛擬機器 , 最后加載動態(tài)庫，激活 Java 虛擬機器。 (2) 虛擬機器激活以后，會先做一些初始化的動作，比如說讀取系統(tǒng)參數等。一旦初始化動作完成之后，就會產生第一個類裝載器 ―― BootstrapLoader(啟動類裝載器 ) 。 (3) Bootstrap Loader 所做的初始工作中，除了一些基本的初始化動作之外，最重要的就是加載 Launcher.java 之中的 ExtClassLoader(擴展類裝載器) ，并設定其 Parent 為 null ，代表其父加載器為 BootstrapLoader 。 (4) 然后 Bootstrap Loader 再要求加載 Launcher.java 之中的 AppClassLoader(用戶自定義類裝載器 ) ，并設定其 Parent 為之前產生的 ExtClassLoader 實體。這兩個加載器都是以靜態(tài)類的形式存在的。這里要注意的是， LauncherExtClassLoader.class與Launcher $ExtClassLoader.class 與 Launcher$ AppClassLoader.class 都是由 Bootstrap Loader 所加載，所以 Parent 和由哪個類加載器加載沒有關系。

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