一、Class類文件結(jié)構(gòu)

1.1、JVM的平臺無關(guān)性

與平臺無關(guān)性是建立在操作系統(tǒng)上，虛擬機(jī)廠商提供了許多可以運(yùn)行在各種不同平臺的虛擬機(jī)，它們都可以載入和執(zhí)行字節(jié)碼，從而實(shí)現(xiàn)程序的一次編寫，到處運(yùn)行。

各種不同平臺的虛擬機(jī)與所有平臺都統(tǒng)一使用的程序存儲格式——字節(jié)碼（ByteCode）是構(gòu)成平臺無關(guān)性的基石，也是語言無關(guān)性的基礎(chǔ)。Java 虛擬機(jī)不和包括 Java 在內(nèi)的任何語言綁定，它只與“Class 文件”這種特定的二進(jìn)制文件格式所關(guān)聯(lián)，Class 文件中包含了 Java 虛擬機(jī)指令集和符號表以及若干其他輔助信息。

1.2、Class類文件

• Class文件是一組以8位字節(jié)為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流。
• 類似于結(jié)構(gòu)體的偽結(jié)構(gòu)來存儲數(shù)據(jù)。
• 只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù)和表。
• 無符號數(shù)屬于基本的數(shù)據(jù)類型，以u1、u2、u4、u8 。
• 表是由多個(gè)無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型。

其中值得注意的一個(gè)東西，class文件中有顯示編譯的版本號，使用notepad++等工具打開class文件。

圖中標(biāo)記前四個(gè)被稱為魔數(shù)(唯一作用是確定這個(gè)文件是否為一個(gè)能被虛擬機(jī)接受的 Class 文件)。

后兩個(gè)標(biāo)記代表class文件的版本號，其中第4第500 00字節(jié)代表著jdk的次版本號，第6第7個(gè)字節(jié)00 34代表這jdk的主版本號，Java 的版本號是從 45 開始的，JDK 1.1 之后的每個(gè) JDK 大版本發(fā)布主版本號向上加 1 高版本的 JDK 能向下兼容以前版本的 Class 文件，但不能運(yùn)行以后版本的 Class 文件，即使文件格式并未發(fā)生任何變化，虛擬機(jī)也必須拒絕執(zhí)行超過其版本號的 Class 文件。

34為16進(jìn)制，轉(zhuǎn)化為10進(jìn)制就是52，所以 52-45+1 , 代表這個(gè)class文件的版本號為jdk1.8 。

當(dāng)然class文件的結(jié)構(gòu)詳細(xì)說起來還有常量池、訪問標(biāo)志、父索引、接口索引、字段表集合、方法表集合、屬性表集合，這些以后有時(shí)間再補(bǔ)上吧，概念性東西，對實(shí)際開發(fā)代碼，優(yōu)化代碼幫助不大。

二、類的加載機(jī)制

類從被加載到虛擬機(jī)內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止，它的整個(gè)生命周期包括：加載（Loading）、驗(yàn)證（Verification）、準(zhǔn)備（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸載（Unloading）7 個(gè)階段。其中驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析 3 個(gè)部分統(tǒng)稱為連接（Linking）。

2.1、加載

虛擬機(jī)需要完成以下 3 件事情：

1、通過一個(gè)類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流。

2、將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

3、在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的 java.lang.Class 對象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

2.2、驗(yàn)證

是連接階段的第一步，這一階段的目的是為了確保 Class 文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。但從整體上看，驗(yàn)證階段大致上會完成下面 4 個(gè)階段的檢驗(yàn)動作：文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證、符號引用驗(yàn)證。

2.3、準(zhǔn)備階段

為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值(零值)的階段。

2.4、解析階段

是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程。

2.5、初始化階段

是類加載過程的最后一步，前面的類加載過程中，除了在加載階段用戶應(yīng)用程序可以通過自定義類加載器參與之外，其余動作完全由虛擬機(jī)主導(dǎo)和控制。

到了初始化階段，才真正開始執(zhí)行類中定義的 Java 程序代碼在準(zhǔn)備階段，變量已經(jīng)賦過一次系統(tǒng)要求的初始值，而在初始化階段，則根據(jù)程序員通過程。

序制定的主觀計(jì)劃去初始化類變量和其他資源（即調(diào)用類構(gòu)造器之類的）。

5種情況會對類立即進(jìn)行初始化（了解即可）

1、遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 這 4 條字節(jié)碼指令時(shí)，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。生成這 4 條指令的最常見的Java 代碼場景是：使用 new 關(guān)鍵字實(shí)例化對象的時(shí)候、讀取或設(shè)置一個(gè)類的靜態(tài)字段（被 final 修飾、已在編譯期把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外）的時(shí)候，以及調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法的時(shí)候。

2、使用 java.lang.reflect 包的方法對類進(jìn)行反射調(diào)用的時(shí)候，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。

3、當(dāng)初始化一個(gè)類的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。

4、當(dāng)虛擬機(jī)啟動時(shí)，用戶需要指定一個(gè)要執(zhí)行的主類（包含 main（）方法的那個(gè)類），虛擬機(jī)會先初始化這個(gè)主類。

5、當(dāng)使用 JDK 1.7 的動態(tài)語言支持時(shí)，如果一個(gè) java.lang.invoke.MethodHandle 實(shí)例最后的解析結(jié)果 REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 的方法句柄，并且這個(gè)方法句柄所對應(yīng)的類沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。

三、類加載器

對于任意一個(gè)類，都需要由 加載它的類加載器和這個(gè)類本身一同確立其在 Java 虛擬機(jī)中的唯一性 ，每一個(gè)類加載器，都擁有一個(gè)獨(dú)立的類名稱空間。這句話可以表達(dá)得更通俗一些：比較兩個(gè)類是否“相等”，只有在這兩個(gè)類是由同一個(gè)類加載器加載的前提下才有意義，否則，即使這兩個(gè)類來源于同一個(gè) Class 文件，被同一個(gè)虛擬機(jī)加載，只要加載它們的類加載器不同，那這兩個(gè)類就必定不相等。這里所指的“相等”，包括代表類的 Class 對象的 equals（）方法、isAssignableFrom（）方法、isInstance（）方法的返回結(jié)果，也包括使用 instanceof 關(guān)鍵字做對象所屬關(guān)系判定等情況。

3.1、雙親委派模型

• 啟動類加載器 : BootstrapClassLoader，負(fù)責(zé)加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄，下同)下，或被 -Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的，并且能被虛擬機(jī)識別的類庫（如rt.jar，所有的java.開頭的類均被 BootstrapClassLoader加載）。啟動類加載器是無法被Java程序直接引用的。
• 擴(kuò)展類加載器 : ExtensionClassLoader，該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載 JDK\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫（如javax.開頭的類），開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。
• 應(yīng)用類加載器 : ApplicationClassLoader，該類加載器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader來實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個(gè)就是程序中默認(rèn)的類加載器。
• 自定義ClassLoader ：在自定義 ClassLoader 的子類時(shí)候，我們常見的會有兩種做法，一種是重寫 loadClass 方法，另一種是重寫 findClass 方法。其實(shí)這兩種方法本質(zhì)上差不多畢竟 loadClass 也會調(diào)用 findClass，但是從邏輯上講我們最好不要直接修改 loadClass 的內(nèi)部邏輯。建議的做法是只在 findClass 里重寫自定義類的加載方法。loadClass 這個(gè)方法是實(shí)現(xiàn)雙親委托模型邏輯的地方，擅自修改這個(gè)方法會導(dǎo)致模型被破壞，容易造成問題。因此我們最好是在雙親委托模型框架內(nèi)進(jìn)行小范圍的改動，不破壞原有的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。同時(shí)，也避免了自己重寫 loadClass 方法的過程中必須寫雙親委托的重復(fù)代碼，從代碼的復(fù)用性來看，不直接修改這個(gè)方法始終是比較好的選擇。

雙親委派模型的過程：

1、當(dāng) AppClassLoader加載一個(gè)class時(shí),它首先不會自己去嘗試加載這個(gè)類,而是把類加載請求委派給父類加載器ExtClassLoader去完成。

2、當(dāng) ExtClassLoader加載一個(gè)class時(shí),它首先也不會自己去嘗試加載這個(gè)類,而是把類加載請求委派給BootStrapClassLoader去完成。

3、如果 BootStrapClassLoader加載失?。ɡ缭?$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到該class）,會使用 ExtClassLoader來嘗試加載。

4、若ExtClassLoader也加載失敗,則會使用 AppClassLoader來加載,如果 AppClassLoader也加載失敗,則會報(bào)出異常 ClassNotFoundException。

雙親委派模型的好處：

Java類隨著它的類加載器一起具備了帶有優(yōu)先級的層次關(guān)系，保證java程序穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2、Tomcat是怎么保證兩個(gè)應(yīng)用相同名稱類的隔離性

tomcat下可能會同時(shí)部署多個(gè)應(yīng)用，那么tomcat是怎么保證多個(gè)應(yīng)用相同類（比如 SysUserService 類）呢？

• Tomcat 本身也是一個(gè) java 項(xiàng)目，因此其也需要被 JDK 的類加載機(jī)制加載，也就必然存在啟動類加載器、擴(kuò)展類加載器和應(yīng)用系統(tǒng)類加載器。
• 為了保證多應(yīng)用相同類的唯一性，tomcat在一定程度上打破了雙親委派模型，每啟動一個(gè)項(xiàng)目都會創(chuàng)建一個(gè)唯一的WebApp類加載器，分別用來加載不同的應(yīng)用，所以就保證了類的唯一性。

以上就是分析JVM的執(zhí)行子系統(tǒng)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于JVM 執(zhí)行子系統(tǒng)的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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