前言

我們很多小伙伴平時(shí)都是做JAVA開(kāi)發(fā)的，那么作為一名合格的工程師，你是否有仔細(xì)的思考過(guò)JVM的運(yùn)行原理呢。

如果懂得了JVM的運(yùn)行原理和內(nèi)存模型，像是一些JVM調(diào)優(yōu)、垃圾回收機(jī)制等等的問(wèn)題我們才能有一個(gè)更清晰的概念。

為了走進(jìn)JVM，深入了解底層，王子打算寫(xiě)一個(gè)JVM的專(zhuān)題，留下自己對(duì)JVM探索的足跡，同時(shí)也希望能幫到小伙伴們更好的理解JVM。

那我們開(kāi)始吧。

JAVA代碼的運(yùn)行流程

首先我們就來(lái)聊一聊JAVA代碼是怎么運(yùn)行起來(lái)的，這部分比較基礎(chǔ)相信大家都知道，就當(dāng)成是個(gè)復(fù)習(xí)吧。

我們編寫(xiě)的代碼都是在java文件中編寫(xiě)的，然后會(huì)編譯成class字節(jié)碼文件。

當(dāng)我們使用到哪個(gè)類(lèi)的時(shí)候就會(huì)通過(guò)類(lèi)加載器把class字節(jié)碼文件中的類(lèi)加載到j(luò)vm內(nèi)存中，然后就是在jvm內(nèi)存中運(yùn)行我們的代碼了。

整體的運(yùn)行流程就是這樣，相信小伙伴們都很清楚這些，但是有關(guān)類(lèi)加載器是如何把類(lèi)加載到j(luò)vm內(nèi)存中的，小伙伴們有考慮過(guò)嗎？

今天我們主要就是聊這一部分。

JVM什么時(shí)候加載類(lèi)

其實(shí)說(shuō)到類(lèi)加載的底層機(jī)制，這是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，但是對(duì)于我們平時(shí)的工作來(lái)講，只要懂得它的核心原理就可以了。

一個(gè)類(lèi)的加載過(guò)程會(huì)經(jīng)歷如下的幾個(gè)過(guò)程：

加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化、使用、卸載

首先我們就先弄明白一個(gè)問(wèn)題，jvm是什么時(shí)候去加載類(lèi)的呢？

其實(shí)答案很簡(jiǎn)單，就是我們什么時(shí)候使用到了這個(gè)類(lèi)，它就去class字節(jié)碼文件中去加載這個(gè)類(lèi)。

而作為程序的入口，具有main方法的類(lèi)，肯定是最開(kāi)始的時(shí)候就加載到j(luò)vm中了。

對(duì)于加載類(lèi)的時(shí)間點(diǎn)問(wèn)題，其實(shí)就是這么簡(jiǎn)單。

類(lèi)加載器和雙親委派機(jī)制

既然我們知道了類(lèi)加載的時(shí)間點(diǎn)，那么jvm是通過(guò)什么方式對(duì)類(lèi)進(jìn)行加載的呢？就是類(lèi)加載器。

那接下來(lái)我們就來(lái)聊聊jvm的類(lèi)加載器。

jvm的類(lèi)加載器總體上可以分成4層，我們一起看一下。

1.啟動(dòng)類(lèi)加載器

首先就是jvm啟動(dòng)的第一道關(guān)口，啟動(dòng)類(lèi)加載器Bootstrap ClassLoader，它主要是加載java的核心類(lèi)。

相信大家都知道，無(wú)論是什么環(huán)節(jié)下運(yùn)行java程序，都是要安裝jvm虛擬機(jī)環(huán)境的，而在這個(gè)環(huán)境的目錄中是有一個(gè)lib文件夾的，這個(gè)文件下就是java最核心的類(lèi)庫(kù)，支撐著java系統(tǒng)的運(yùn)行。

所以一旦jvm啟動(dòng)，那么首先就會(huì)通過(guò)啟動(dòng)類(lèi)加載器去加載lib文件夾下的核心類(lèi)庫(kù)。

2.擴(kuò)展類(lèi)加載器

然后我們就到了第二層，擴(kuò)展類(lèi)加載器Extension ClassLoader，這個(gè)類(lèi)加載器其實(shí)與啟動(dòng)類(lèi)加載器是類(lèi)似的。

在我們的jvm虛擬機(jī)環(huán)境目錄下，是有一個(gè)lib/ext的文件夾的，這里面的類(lèi)就是java運(yùn)行環(huán)境的一些擴(kuò)展類(lèi)，這些擴(kuò)展類(lèi)就是在jvm啟動(dòng)后，通過(guò)擴(kuò)展類(lèi)加載器進(jìn)行加載的。

3.應(yīng)用程序類(lèi)加載器

加載完核心類(lèi)庫(kù)和擴(kuò)展類(lèi)，這時(shí)候就到了第三層，應(yīng)用程序類(lèi)加載器Application ClassLoader，這個(gè)類(lèi)加載器你就可以理解成是加載我們寫(xiě)好的java代碼的就可以了。

4.自定義類(lèi)加載器

前面的三層就是基本的類(lèi)加載器了，然后第四層是自定義類(lèi)加載器，根據(jù)一些特殊的需求來(lái)自己定義類(lèi)加載器加載我們的類(lèi)。

整體上類(lèi)加載器就是這么的4層結(jié)構(gòu)。很多小伙伴可能都聽(tīng)說(shuō)過(guò)雙親委派機(jī)制，那么什么是雙親委派機(jī)制呢，王子就和大家用最接地氣的語(yǔ)言描述一下。

其實(shí)很好理解，就是當(dāng)我們的類(lèi)加載器要加載一個(gè)類(lèi)的時(shí)候，它首先會(huì)委派給它的父親去加載，但是如果它的父親沒(méi)找到就會(huì)把這個(gè)事交給他的孩子自己去完成了。

這就是雙親委派機(jī)制。

舉個(gè)例子，假如我們的應(yīng)用程序類(lèi)加載器要加載一個(gè)類(lèi)A，那么首先它會(huì)先回家找它老爸?jǐn)U展類(lèi)加載器，問(wèn)問(wèn)“老爸，你那有這個(gè)類(lèi)A嗎？”

然后擴(kuò)展類(lèi)加載器接到這個(gè)請(qǐng)求之后，同樣也懶得處理，再去找它爺爺啟動(dòng)類(lèi)加載器。

它爺爺找了一圈沒(méi)找到類(lèi)A，很生氣，就對(duì)擴(kuò)展類(lèi)加載器說(shuō)，“我這沒(méi)有，你自己找去！”

然后擴(kuò)展類(lèi)加載器就灰溜溜的自己找了一圈，同樣也沒(méi)找到，這時(shí)候就找到應(yīng)用類(lèi)加載器了，說(shuō)：“我這哪有你這個(gè)類(lèi)A，這明明是你自己應(yīng)該干的活，愛(ài)上哪找上哪找去，我不管了”。

這時(shí)候應(yīng)用類(lèi)加載器就只能自己去處理了，找了一圈發(fā)現(xiàn)找到了類(lèi)A，就把它加載到j(luò)vm內(nèi)存中了。

相信大家看了這個(gè)例子應(yīng)該很容易理解了吧。

所以假設(shè)我們自己創(chuàng)建了一個(gè)類(lèi)java.lang.String，它是不會(huì)被應(yīng)用類(lèi)加載器加載到內(nèi)存中的，因?yàn)楦割?lèi)中可以找到這個(gè)類(lèi)，就直接給加載到內(nèi)存中了。

聊聊驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化階段

聊完了加載，我們?cè)賮?lái)看看驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化這幾個(gè)階段jvm都做了什么。

1.驗(yàn)證階段

這一步其實(shí)很容易理解，就是jvm根據(jù)java規(guī)范，來(lái)校驗(yàn)?zāi)慵虞d進(jìn)來(lái)的class文件中的內(nèi)容是否符合規(guī)范，如果不符合規(guī)范jvm是無(wú)法正常運(yùn)行的。

所以在加載后，首先就是驗(yàn)證階段。

2.準(zhǔn)備階段

假設(shè)我們有一個(gè)類(lèi)A，剛剛加載并通過(guò)了驗(yàn)證，那么就會(huì)進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

這個(gè)準(zhǔn)備工作其實(shí)就是給類(lèi)A分配一定的內(nèi)存空間，然后給里面的靜態(tài)變量(static修飾的變量)也分配內(nèi)存空間，并賦初始值。

3.解析階段

這個(gè)階段干的事實(shí)際上是把符號(hào)引用替換為直接引用，這一過(guò)程網(wǎng)上有很多資料，還是比較復(fù)雜的，如果感興趣小伙伴們可以自己查閱一下資料。

實(shí)際工作中也很少會(huì)接觸這部分的內(nèi)容，所以我們知道有這么個(gè)階段就可以了。

4.初始化階段

在準(zhǔn)備階段，我們把類(lèi)A的內(nèi)存已經(jīng)分配完了，那么初始化階段要做些什么事呢？我們先看一下類(lèi)A的代碼

public class A {
    private static String i=System.getProperty("i");
}

準(zhǔn)備階段我們只是給變量i分配了內(nèi)存空間，并賦值了初始值，但是后邊的System.getProperty("i")是不會(huì)執(zhí)行的。

沒(méi)錯(cuò)，這部分代碼就是在初始化階段執(zhí)行的，另外靜態(tài)代碼塊也會(huì)在這一階段執(zhí)行。

舉個(gè)例子，比如我們新建一個(gè)對(duì)象new A()，此時(shí)就會(huì)觸發(fā)從加載到初始化的全過(guò)程，把這個(gè)類(lèi)準(zhǔn)備好并創(chuàng)建一個(gè)實(shí)例對(duì)象。

此外這里有一個(gè)規(guī)則，如果類(lèi)A繼承了類(lèi)B，那么在初始化類(lèi)A的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)類(lèi)B還沒(méi)有初始化，會(huì)先初始化類(lèi)B。

擴(kuò)展

到這里關(guān)于JVM的類(lèi)加載機(jī)制其實(shí)就已經(jīng)說(shuō)完了，王子再給大家擴(kuò)展一個(gè)小知識(shí)點(diǎn)。

小伙伴們想過(guò)沒(méi)有，Tomcat也是用java開(kāi)發(fā)的，那么它的類(lèi)加載機(jī)制是什么樣的呢，為什么就能支持jsp呢？

其實(shí)它就是利用了自定義類(lèi)加載器這一機(jī)制，自己自定義了很多類(lèi)加載器，整體的結(jié)構(gòu)如下：

Tomcat自定義了這么多的類(lèi)加載器，用來(lái)加載它自己的核心類(lèi)庫(kù)，并且Tomcat是打破了雙親委派機(jī)制的，感興趣的小伙伴可以自己去查資料了解一下，王子就不在本篇文章長(zhǎng)篇大論來(lái)聊Tomcat了。

總結(jié)

今天我們聊的內(nèi)容還是jvm中比較基礎(chǔ)的部分，以后的文章我們?cè)俾钊?，去探索jvm的底層原理，如果對(duì)JVM感興趣的小伙伴可以關(guān)注王子的后續(xù)文章哦，我們可以一步一個(gè)腳印的逐步分解JVM，去了解JVM的垃圾回收機(jī)制、性能調(diào)優(yōu)等等實(shí)用性問(wèn)題，讓你面對(duì)JVM的面試或者生產(chǎn)實(shí)踐也可以游刃有余。