面試官：挺厲害的，那你說說JVM加載class文件的原理機制

在面試java工程師的時候，這道題常常被問到，故需特別注意。

認真閱讀本文後，方可作到心中有數，面試談笑風生。

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1，JVM簡介（簡單瞭解）

 JVM 全稱是Java Virtual Machine ，Java 虛擬機，也就是在計算機上再虛擬一個計算機，這和咱們使用 VMWare不同，那個虛擬的東西你是能夠看到的，這個JVM 你是看不到的，它存在內存中。咱們知道計算機的基本構成是：運算器、控制器、存儲器、輸入和輸出設備，那這個JVM 也是有這成套的元素，運算器是固然是交給硬件CPU 還處理了，只是爲了適應「一次編譯，隨處運行」的狀況，須要作一個翻譯動做，因而就用了JVM 本身的命令集，這與彙編的命令集有點相似，每一種彙編命令集針對一個系列的CPU ，好比8086 系列的彙編也是能夠用在8088 上的，可是就不能跑在8051 上，而JVM 的命令集則是能夠處處運行的，由於JVM 作了翻譯，根據不一樣的CPU ，翻譯成不一樣的機器語言。

  JVM 中咱們最須要深刻理解的就是它的存儲部分，存儲？硬盤？NO ，NO ， JVM 是一個內存中的虛擬機，那它的存儲就是內存了，咱們寫的全部類、常量、變量、方法都在內存中，這決定着咱們程序運行的是否健壯、是否高效，接下來的部分就是重點介紹之。   

2，JVM組成（認真閱讀）  

該圖參考了網上廣爲流傳的JVM 構成圖，你們看這個圖，整個JVM 分爲四部分：

Class Loader 類加載器

類加載器的做用是加載類文件到內存，好比編寫一個HelloWord.java 程序，而後經過javac 編譯成class 文件，那怎麼才能加載到內存中被執行呢？Class Loader 承擔的就是這個責任，那不可能隨便創建一個.class 文件就能被加載的，Class Loader 加載的class 文件是有格式要求，在《JVM Specification 》中式這樣定義Class 文件的結構：

ClassFile {
      u4 magic;
      u2 minor_version;
       u2 major_version;
      u2 constant_pool_count;
      cp_info constant_pool[constant_pool_count-1];
      u2 access_flags;
      u2 this_class;
      u2 super_class;
      u2 interfaces_count;
      u2 interfaces[interfaces_count];
      u2 fields_count;
      field_info fields[fields_count];
      u2 methods_count;
      method_info methods[methods_count];
      u2 attributes_count;
      attribute_info attributes[attributes_count];
    }
複製代碼

須要詳細瞭解的話，能夠仔細閱讀《JVM Specification 》的第四章「The class File Format 」，這裏再也不詳細說明。

友情提示：Class Loader 只管加載，只要符合文件結構就加載，至於說能不能運行，則不是它負責的，那是由Execution Engine 負責的。

Execution Engine 執行引擎

執行引擎也叫作解釋器(Interpreter) ，負責解釋命令，提交操做系統執行。

Native Interface 本地接口

本地接口的做用是融合不一樣的編程語言爲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，因而就在內存中專門開闢了一塊區域處理標記爲native 的代碼，它的具體作法是Native Method Stack 中登記native 方法，在Execution Engine 執行時加載native libraies 。目前該方法使用的是愈來愈少了，除非是與硬件有關的應用，好比經過Java 程序驅動打印機，或者Java 系統管理生產設備，在企業級應用中已經比較少見，由於如今的異構領域間的通訊很發達，好比可使用Socket 通訊，也可使用Web Service 等等，很少作介紹。

Runtime data area 運行數據區

運行數據區是整個JVM 的重點。咱們全部寫的程序都被加載到這裏，以後纔開始運行，Java 生態系統如此的繁榮，得益於該區域的優良自治。

整個JVM 框架由加載器加載文件，而後執行器在內存中處理數據，須要與異構系統交互是能夠經過本地接口進行，瞧，一個完整的系統誕生了！

三、JVM加載class文件的原理機制 (好好記住)

Java中的全部類，都須要由類加載器裝載到JVM中才能運行。類加載器自己也是一個類，而它的工做就是把class文件從硬盤讀取到內存中。在寫程序的時候，咱們幾乎不須要關心類的加載，由於這些都是隱式裝載的，除非咱們有特殊的用法，像是反射，就須要顯式的加載所須要的類。

類裝載方式，有兩種

1.隱式裝載， 程序在運行過程當中當碰到經過new等方式生成對象時，隱式調用類裝載器加載對應的類到jvm中

2.顯式裝載， 經過class.forname()等方法，顯式加載須要的類

隱式加載與顯式加載的區別：二者本質是同樣? Java類的加載是動態的，它並不會一次性將全部類所有加載後再運行，而是保證程序運行的基礎類(像是基類)徹底加載到jvm中，至於其餘類，則在須要的時候才加載。這固然就是爲了節省內存開銷。

Java的類加載器有三個

對應Java的三種類:

1.系統類

2.擴展類

3.由程序員自定義的類

Bootstrap Loader  // 負責加載系統類 (指的是內置類，像是String，對應於C#中的System類和C/C++標準庫中的類)
        | 
      - - ExtClassLoader   // 負責加載擴展類(就是繼承類和實現類)
                      | 
                  - - AppClassLoader   // 負責加載應用類(程序員自定義的類)
複製代碼

三個加載器各自完成本身的工做，但它們是如何協調工做呢？哪個類該由哪一個類加載器完成呢？爲了解決這個問題，Java採用了委託模型機制。

委託模型機制的工做原理很簡單：當類加載器須要加載類的時候，先請示其Parent(即上一層加載器)在其搜索路徑載入，若是找不到，纔在本身的搜索路徑搜索該類。這樣的順序其實就是加載器層次上自頂而下的搜索，由於加載器必須保證基礎類的加載。之因此是這種機制，還有一個安全上的考慮：若是某人將一個惡意的基礎類加載到jvm，委託模型機制會搜索其父類加載器，顯然是不可能找到的，天然就不會將該類加載進來。

咱們能夠經過這樣的代碼來獲取類加載器:

ClassLoader loader = ClassName.class.getClassLoader();
ClassLoader ParentLoader = loader.getParent();
複製代碼

注意一個很重要的問題，就是Java在邏輯上並不存在BootstrapKLoader的實體！由於它是用C++編寫的，因此打印其內容將會獲得null。

前面是對類加載器的簡單介紹，它的原理機制很是簡單，就是下面幾個步驟:

1.裝載:查找和導入class文件;

2.鏈接:

(1)檢查:檢查載入的class文件數據的正確性;

  (2)準備:爲類的靜態變量分配存儲空間;

  (3)解析:將符號引用轉換成直接引用(這一步是可選的)
複製代碼

3.初始化:初始化靜態變量，靜態代碼塊。

這樣的過程在程序調用類的靜態成員的時候開始執行，因此靜態方法main()纔會成爲通常程序的入口方法。類的構造器也會引起該動做。

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稍微詳細說下，加載步驟

裝載

簡單描述：在Java程序運行以前JVM會把編譯完成的.class二進制文件加載到內存，後續提供程序使用，用到的就是類加載器ClassLoader 。加載階段與鏈接階段的部份內容（如一部分字節碼文件格式驗證動做）是交叉進行的，加載階段還沒有結束，鏈接階段就可能開始了。可是夾在加載階段進行的動做，仍然屬於鏈接階段的內容。

鏈接

• 鏈接 - 驗證  

  驗證是鏈接的第一步，目的是爲了確保Class文件的字節流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，而且不會危及虛擬機自己的安全。 驗證階段的四個步驟：文件格式檢驗、元數據檢驗、字節碼檢驗、符號引用檢驗。

文件格式檢驗：檢驗字節流是否符合Class文件格式的規範，而且能被當前版本的虛擬機處理。

元數據檢驗：對字節碼描述的信息進行語義分析，以保證其描述的內容符合Java語言規範的要求.

字節碼檢驗：經過數據流和控制流分析，肯定程序語義是合法、符合邏輯的。

符號引用檢驗：符號引用檢驗能夠看做是對類自身之外（常量池中的各類符號引用）的信息進行匹配性校驗。
複製代碼

• 鏈接 - 準備

  該階段正式爲類變量分配內存並設置類變量初始值。這些變量所使用的內存將在方法區中進行分配。此時進行內存分配的僅包括類變量，而不包括實例變量(實例變量將會在對象實例化時隨着對象一塊兒分配在Java堆中)。另外，在這裏分配的靜態類變量是將其值定義爲默認值。由於在該階段並未執行任何Java方法，正確的賦值將在初始化階段執行。

• 鏈接 - 解析

  該階段虛擬機會將常量池內的符號引用替換爲直接引用的過程。

初始化

這是類加載的最後一步，真正執行類中定義的字節碼，也就是.class文件。 初始化階段是執行類構造器方法的過程，以及真正初始化類變量和其餘資源的過程。