Java类编译、加载、和执行机制

标签： java 类加载类编译类执行机制

0.前言

个人认为，对于JVM的理解，主要是两大方面内容：

Java类的编译、加载和执行。
JVM的内存管理和垃圾回收机制。

本文主要是以概要的形式学习第一点:类的编译、加载和执行。关于内存管理机制请看另外一篇文章JVM的内存管理和垃圾回收机制。

1. Java类的编译过程

这是由*.java源码文件转为 .class二进制字节码文件的过程。

我们编写好的源代码，就是.java文件。使用“javac test.java”就可以编译test.java文件。

编译过程主要有三步：

词法分析和输入到符号表
注解处理
语义分析和生成字节码

详细过程：

源代码文件*.java -> 词法分析器 -> tokens流 -> 语法分析器 -> 语法树/抽象语法树 -> 语义分析器 -> 注解抽象语法树 -> 字节码生成器 -> JVM字节码文件*.class

最后剩成的JVM字节码文件，使用命令“javap -c test”可以查看test.class的字节码信息，主要包含三项内容：

结构信息：class文件相关信息。
元数据：Java源码中的声明和常量信息。
方法信息：Java源码语句和表达式对应的字节码。

2. 类加载机制

2.1 类加载器分类

类加载器其实也是Java类。有四大类：

根加载器Bootstrap Class Loader
扩展加载器Extension Class Loader
系统应用加载器APP Class Loader
用户自定义加载器Customer Class Loader

下面是各个类加载器的具体情况：

Java程序在执行前先要检查类是否已经被加载。

2.2检查过程

检查类是否已经被加载，从底层往上层依次检查各个加载器已经加载的类，顺序是系统应用类加载器、扩展加载器、根加载器，一旦发现被某个加载器加载过，则马上使用该类。如果一直找到最顶层的根加载器，发现类还没有被加载进JVM运行数据区的方法区，则接下来就要加载该类。

2.3类加载过程

加载过程和检查过程顺序相反，从上层往下层的顺序进行加载。从加载器检查自己的加载路径，找要加载的类，一旦找到类就进行加载。

注意：对每个加载器，最多只能加载一次系统绝对路径下的同一个类。对类而言，可以被不同加载器重复加载，只要你把类放到类加载器的加载路径下，就可以被那个加载器加载。

3. 类执行机制

类在被加载之后，接下来进行连接、初始化，然后才是使用，最后卸载。

3.1 连接

连接（linking）包括三个部分：

验证verifying：验证类符合Java规范和JVM规范，和编译阶段的语法语义分析不同。
准备preparing：为类的静态变量分配内存，初始化为系统的初始值。（不初始化静态代码块）。对于final static修饰的变量，直接赋值为用户的定义值。
解析resolving：将符号引用（字面量描述）转为直接引用（对象和实例的地址指针、实例变量和方法的偏移量）

3.2 类初始化

初始化类的静态变量和静态代码块为用户自定义的值。非静态类在实例化类，在Java堆中创建对象的时候，才会进行初始化。初始化的顺序，和Java源码的从上到下顺序一致。注意：什么时候触发初始化？在类被Java程序“第一次主动使用”的时候，才会触发初始化操作（如果还没有加载，则会顺势触发类的加载过程）。

3.3内存分配

启动JVM后，操作系统就给JVM分配了内存空间，JVM自己由把得到的内存分为几块：

JVM是基于栈结构的体系结构来执行class字节码的，不同于windows和Linux基于寄存器结构。类的执行机制，主要是在Java栈上面完成。当一个线程被创建后，Java栈和PC寄存器就会被创建。Java栈由栈帧组成，调用一个方法，就会生成一个栈帧（可以理解为表示调用一个方法）。栈帧又由局部变量表、操作数栈和常量池引用组成。

执行的时候，每个线程都有一个Java栈，当前执行的栈称为当前栈。一个Java栈调用多个方法，则会push很多个栈帧，当前活动的栈帧称为当前栈帧。当前栈帧执行完毕之后，会把执行结果（如果有）压入到调用它的那个栈帧的操作数栈中，作为上一个栈帧的一个中间处理结果被调用，然后就会被pop出去。当所有调用的方法执行结束后，栈帧也就都pop掉没有了。

例如：执行代码

3.4 类具体的执行过程

本步骤由执行引擎Execute Engine来完成。执行引擎把字节码转为机器码，然后操作系统才可以真正调用，在硬件环境上执行代码。执行引擎的通过Java字节码解释器（一行一行解释字节码）和JIT（Just In Time）即时编译器（对热代码整段编译）来完成机器码的翻译工作。

JIT编译器的工作流程为：

JVM字节码 -> 机器无关优化 -> 中间代码 -> 机器相关优化 -> 中间代码 -> 寄存器分配器 -> 中间代码 -> 目标机器码生成器 -> 目标机器码