JVM加载class文件原理

2019-11-11 04:05:43

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供稿：网友

前言

学习java、Android也有差不多半年时间了，是时候记录一下学习过程中的心得和经验，这篇文章就是简单描述一下JVM加载class文件的机制。

JVM组成

图1 JVM组成

Classloader 类加载器，负责查找并装载Class 文件到内存，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型Class Area 方法区，在类装载器加载class文件到内存的过程中，虚拟机会提取其中的类型信息，并将这些信息存储到方法区。方法区用于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。Heap 堆，存储Java程序创建的类实例。Stack 栈，每当启动一个新线程时，Java虚拟机都会为它分配一个Java栈。Java栈以帧为单位保存线程的运行状态。虚拟机只会直接对Java栈执行两种操作：以帧为单位的压栈或出栈。当线程调用java方法时，虚拟机压入一个新的栈帧到该线程的java栈中。当方法返回时，这个栈帧被从java栈中弹出并抛弃。一个栈帧包含一个java方法的调用状态，它存储有局部变量表、操作栈、动态链接、方法出口等信息。PC Register PC寄存器(程序计数器)：一个运行中的Java程序，每当启动一个新线程时，都会为这个新线程创建一个自己的PC寄存器(程序计数器)。程序计数器的作用可以看做是当前线程所执行的字节码的行号指示器。字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来选取下一条需要执行的字节码指令，分支、循环、跳转、异常处理、线程恢复等基础功能都需要依赖这个计数器来完成。如果线程正在执行的是一个Java方法，这个计数器记录的是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值则为空(Undefined)。Native Method Stack 本地方法栈，本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，其区别不过是虚拟机栈为虚拟机执行Java方法（也就是字节码）服务，而本地方法栈则是为虚拟机使用到的Native方法服务。任何本地方法接口都会使用某种本地方法栈。当线程调用Java方法时，虚拟机会创建一个新的栈帧并压入Java栈。然而当它调用的是本地方法时，虚拟机会保持Java栈不变，不再在线程的Java栈中压入新的帧，虚拟机只是简单地动态链接并直接调用指定的本地方法。如果某个虚拟机实现的本地方法接口是使用C连接模型的话，那么它的本地方法栈就是C栈。execution engine 执行引擎，负责执行字节码。方法的字节码是由Java虚拟机的指令序列构成的。每一条指令包含一个单字节的操作码，后面跟随0个或多个操作数。执行引擎执行字节码时，首先取得一个操作码，如果操作码有操作数，取得它的操作数。它执行操作码和跟随的操作数规定的动作，然后再取得下一个操作码。这个执行字节码的过程在线程完成前将一直持续。Native Method interface 本地方法接口，作用是融合不同的编程语言为Java 所用，它的初衷是融合C/C++ 程序，Java 诞生的时候是C/C++ 横行的时候，要想立足，必须有一个聪明的、睿智的调用C/C++ 程序，于是就在内存中专门开辟了一块区域处理标记为native 的代码，它的具体做法是Native Method Stack 中登记native 方法，在Execution Engine 执行时加载native libraies 。目前该方法使用的是越来越少了，除非是与硬件有关的应用，比如通过Java 程序驱动打印机，或者Java 系统管理生产设备，在企业级应用中已经比较少见，因为现在的异构领域间的通信很发达，比如可以使用Socket 通信，也可以使用Web Service 等等，不多做介绍。

Classloader体系结构

Java中的类加载器实质上也是类，功能是把类载入jvm中，值得注意的是jvm的类装载器并不是一个，而是三个： 1. BootstrapLoader 启动类装载器：每个Java虚拟机实现都必须有一个启动类装载器。它只负责在系统类(核心Java API的class文件)的安装路径中查找要装入的类。这个装载器的实现由C++ 所撰写而成，是JVM实现的一部分。 2. ExtClassLoader 扩展类装载器：负责除核心Java API以外的其它class文件的装载。例如、用于安装或下载标准扩展的class文件,在类路径中发现的类库的class文件,用于应用程序运行的class文件等等。 3. AppClassLoader 用户自定义类装载器：负责除核心Java API以外的其它class文件的装载。这里有一点需要注意：自定义类装载器并非由应用程序员自己实现，它也是JVM

JVM加载class的过程

当我们使用命令来执行某一个Java程序(比如Test.class)的时候：java Test (1) java.exe 会帮助我们找到 JRE ，接着找到位于 JRE 内部的 jvm.dll ，这才是真正的 Java 虚拟机器 , 最后加载动态库，激活 Java 虚拟机器。 (2) 虚拟机器激活以后，会先做一些初始化的动作，比如说读取系统参数等。一旦初始化动作完成之后，就会产生第一个类装载器 ―― BootstrapLoader(启动类装载器 ) 。 (3) Bootstrap Loader 所做的初始工作中，除了一些基本的初始化动作之外，最重要的就是加载 Launcher.java 之中的 ExtClassLoader(扩展类装载器) ，并设定其 Parent 为 null ，代表其父加载器为 BootstrapLoader 。 (4) 然后 Bootstrap Loader 再要求加载 Launcher.java 之中的 AppClassLoader(用户自定义类装载器 ) ，并设定其 Parent 为之前产生的 ExtClassLoader 实体。这两个加载器都是以静态类的形式存在的。这里要注意的是， LauncherExtClassLoader.class与Launcher $ExtClassLoader.class 与 Launcher$ AppClassLoader.class 都是由 Bootstrap Loader 所加载，所以 Parent 和由哪个类加载器加载没有关系。

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