前言

JVM只認識Class文件，也就是說，任何一門計算機語言，只要它最后將代碼編譯成class文件，都能被JVM所執(zhí)行。

Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等語言就是如此。

一、什么是Class文件

1. class文件是Java代碼經(jīng)過Javac編譯后生成的字節(jié)碼文件，如下圖所示。

2. class文件主要包含了魔數(shù)、JVM版本號、常量池、常量池計數(shù)器、訪問標識等信息，如下圖所示（截取自 Java虛擬機規(guī)范）

• magic：魔數(shù)，占4字節(jié)。作用是判斷這個文件是否為一個虛擬機所能接受的class文件
• minor_version:：副版本號，占2字節(jié)，最小支持版本號。
• major_version：主版本號，占2字節(jié)，最大支持版本號。
• constant_pool_count：常量池計數(shù)器，記錄常量池表中的成員數(shù)，它的值為常量池表中的成員數(shù)+1，常量池表的索引值只有在大于0并且小于constant_pool_count時才認為是有效。
• constant_pool：常量池，包含class文件結(jié)構(gòu)及其子結(jié)構(gòu)中所引用的所有字符串常量、類或接口、字段名和其他常量。
• access_flag：訪問標志，用于表示類或接口的訪問權(quán)限及屬性。
• this_class：類索引。
• super_class：父類索引。
• interfaces_count：接口計數(shù)器。
• interfaces_count[]：接口表。
• fields_count：字段計數(shù)器。
• fields：字段表。
• methods_count：方法計數(shù)器。
• methods[]：方法表。
• attributes_count：屬性計數(shù)器。
• attributes[]：屬性表。

3. 每一個Java類在JVM中都會對應創(chuàng)建一個C++類實例，我們稱這個C++類為Klass實例(對應hotspot源碼中的instanceKlass類)。

Klass實例里面存儲了java類中所描述的方法、字段、屬性等。

如下圖所示，instanceKlass的字段皆為存儲java類文件中的數(shù)據(jù)所設計，詳見hotspot源碼中 instanceKlass.hpp文件。

ps：JVM在創(chuàng)建InstanceKlass對象時，為其申請的內(nèi)存空間，遠超instanceKlass本身所需要得空間，這是因為InstanceKlass還要存虛表、接口表、以及Java類中的引用類型表。

二、class類加載的過程

1. 加載階段

• 通過類的全限定名獲取java類編譯后生成的class文件，加載進JVM，并解析class文件。
• 解析完成后，JVM便會在內(nèi)部創(chuàng)建一個與Java類對等的類模板對象 instanceKlass實例(也是C++的一個類，里面保存了java類的常量池、方法、屬性等信息)。

下面奉上hotspot源碼解析常量池、字段、方法并創(chuàng)建對應的Klass對象部分，代碼皆在ClassFileParser.cpp的 parseClassFile方法中，有興趣的同學可以自己看一看。

以下僅截取部分主要代碼

instanceKlassHandle ClassFileParser::parseClassFile(Symbol* name,
                                                    ClassLoaderData* loader_data,
                                                    Handle protection_domain,
                                                    KlassHandle host_klass,
                                                    GrowableArray<Handle>* cp_patches,
                                                    TempNewSymbol& parsed_name,
                                                    bool verify,
                                                    TRAPS) {
  // Constant pool   解析常量池
  constantPoolHandle cp = parse_constant_pool(CHECK_(nullHandle));
 //......
    //解析Java類字段
    Array<u2>* fields = parse_fields(class_name,
                                     access_flags.is_interface(),
                                     &fac, &java_fields_count,
                                     CHECK_(nullHandle));
    //......
    //解析Java類方法
    Array<Method*>* methods = parse_methods(access_flags.is_interface(),
                                            &promoted_flags,
                                            &has_final_method,
                                            &declares_default_methods,
                                            CHECK_(nullHandle));
    //....
    // 開始創(chuàng)建與Java對等的Klass對象
    _klass = InstanceKlass::allocate_instance_klass(loader_data,
                                                    vtable_size,
                                                    itable_size,
                                                    info.static_field_size,
                                                    total_oop_map_size2,
                                                    rt,
                                                    access_flags,
                                                    name,
                                                    super_klass(),
                                                    !host_klass.is_null(),
                                                    CHECK_(nullHandle));
}

4.通過instanceKlass生成一個鏡像類，放在堆區(qū)，即instanceMirrorKlass實例(對應hotspot源碼中的 instanceMirrorKlass類)。

instanceKlass供jvm內(nèi)部使用，小編認為多生成一個instanceMirrorKlass是因為考慮到運行安全因素，不能直接把類暴露給外部使用，所以弄出了個鏡像類實例提供給外部程序調(diào)用。

小貼紙：

1.java類中的靜態(tài)變量會存儲在instanceMirrorKlass類中，instanceMirrorKlass類里面比instanceKlass類多定義了一個靜態(tài)字段偏移量的屬性，可以通過該屬性獲取靜態(tài)變量。

2.Java中的數(shù)組類在運行時數(shù)據(jù)區(qū)的生成的實例為

方法區(qū)：ArrayKlass。堆區(qū)：基本類型數(shù)組 TypeArrayKlass，引用類型數(shù)組ObjArrayKlass 分別對應hotspot源碼里的TypeArrayKlass.cpp 與 ObjArrayKlass.cpp類

3.類加載器是什么時候加載的，如下圖，hotspot源碼java.c中有一個javaMain方法，javaMain 里面調(diào)用了LoadMainClass 方法，你的一切疑惑都在LoadMainClass里面，它的執(zhí)行邏輯是通過啟動類加載器加載類sun.launcher.LauncherHelper，執(zhí)行該類的方法checkAndLoadMain，加載main函數(shù)所在的類，啟動擴展類加載器、應用類加載器也是在這個時候完成的。

2. 驗證

驗證主要就是對Java虛擬機定義的一些約束進行校驗，如果校驗不通過就拋出異常。

• 靜態(tài)約束：
• 結(jié)構(gòu)化約束

3. 準備

創(chuàng)建類或接口的靜態(tài)字段，并用默認值初始化這些字段。這個階段不會執(zhí)行任何的虛擬機字節(jié)碼指令。

final修飾類的變量，已經(jīng)不會再 發(fā)生變化，所以在準備階段就進行賦值了，就沒有賦初值這個操作了。

4. 解析

我們從各種某度的文章里總會看到，解析的主要過程就是將符號引用替換為直接引用。

那么什么是符號引用呢？ 如下圖，下圖采用了jclasslib插件展示一個Java類文件編譯后產(chǎn)生的class文件信息。

我們可以看到方法里面字節(jié)碼指令后面的 #1等符號就是我們常說的符號引用。

這個符號引用其實就是常量池中的索引(例如#1指向的就是常量池中的第一個類或方法) 如下圖所示

JVM會在準備階段將這些索引符號替換為直接內(nèi)存地址。以供后續(xù)JVM指令進行調(diào)用。

都有那些虛擬機指令需要進行符號引用的解析呢？

anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、nvokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield、putstatic

執(zhí)行上述任何一條指令都需要對它的符號引用進行解析。

如果在某個符號引用解析過程中發(fā)生錯誤，那么應該在使用該符號引用的程序處拋出IncompatibleClassChangeError或者其子類的異常

5. 初始化

初始化就是 執(zhí)行類的靜態(tài)代碼塊，并且完成靜態(tài)變量的賦值，我們可以看到

如下圖，如果我們的代碼里要是有靜態(tài)變量，并且對靜態(tài)變量進行賦值了，那么生成的字節(jié)碼文件中就會有clinit方法。

這個clinit就是執(zhí)行靜態(tài)變量賦值的指令，而且方法中語句的先后順序與代碼的編寫順序相關

既然初始化的時候可以直接對變量進行賦值，那我們是否可以跳過準備階段，直接在初始化階段進行賦值

。因為準備階段主要是賦初值，那我們可以直接要我們寫的值，不要初始值。 答案當然是不行，原因如下

初始化階段主要是依靠clinit方法生成的指令進行賦值，但是如果我們定義一個空的靜態(tài)變量，那clinit方法中就不會生成這個靜態(tài)變量相關的賦值代碼。

如下圖，所以這時就需要準備階段給這個靜態(tài)變量初始化、賦初值，否則這個變量就丟掉了。

初始化之后就由JVM的執(zhí)行引擎進行取指執(zhí)行了，執(zhí)行引擎有些過于復雜，以后有機會再分析吧。

總結(jié)

1. JVM能執(zhí)行的就是Class文件，所有計算機語言只要最后生成了Class文件，都可以交給JVM執(zhí)行。Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等語言就是如此。
2. 由于JVM是由C/C++編寫的，所以每一個Java類加載到JVM時都會生成一個對應的C++類，即instanceKlass，存放在方法區(qū)(元空間)。同時生成一個instanceKlass的實例對象，即instanceMirrorKlass，放在堆區(qū)。
3. JVM類加載機制分為，加載、驗證、準備、解析、初始化五個階段。
4. 加載階段：
   通過類的全限定名獲取存儲該類的class文件，并對其進行解析
   解析后生成對應的C++模板類，即instanceKlass實例，存放在元空間，用于JVM內(nèi)部使用
   在堆區(qū)生成該類的Class對象實例，即instanceMirrorKlass，用于其他系統(tǒng)或程序進行調(diào)用。
5. 驗證階段主要有靜態(tài)約束校驗，結(jié)構(gòu)化約束校驗兩種。
6. 準備階段主要是對靜態(tài)變量賦初值的操作
7. 解析階段就是將符號引用(常量池索引)替換為直接引用(方法內(nèi)存地址)
8. 初始化就是 執(zhí)行類的靜態(tài)代碼塊，并且完成靜態(tài)變量的賦值。賦值的指令會生成在clinit方法中，當在Java代碼中對靜態(tài)變量賦值了，clinit中才會生成對應的指令。

擴展問題

• 類的初始化階段會不會有線程安全問題？
• 類加載階段會使用synchronized鎖機制嗎？
• 類加載時延遲偏向鎖的原因?
• 如果實現(xiàn)一個類加載器，不按照類加載器機制實現(xiàn)可不可以?

到此這篇關于Java類加載之Class對象到Klass模型詳解的文章就介紹到這了,更多相關Java的Class對象到Klass模型內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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