一個java文件的JVM之旅

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準備 我是小C同學編寫得一個java文件，如何實現我的功能呢？需要去JVM(Java Virtual Machine)這個地方旅行。 變身 我高高興興的來到JVM，想要開始JVM之旅，它確說：“現在的我還不能進去，需要做一次轉換，生成class文件才行”。為什麼這樣呢？ JVM不能直接載入java文 ...


準備

我是小C同學編寫得一個java文件，如何實現我的功能呢？需要去JVM(Java Virtual Machine)這個地方旅行。

變身

我高高興興的來到JVM，想要開始JVM之旅，它確說：“現在的我還不能進去，需要做一次轉換，生成class文件才行”。為什麼這樣呢？

JVM不能直接載入java文件的原因:

  • Java源代碼中包含了許多高級語言特性和語法，比如類、繼承、多態、異常處理等等。這些高級特性在JVM中沒有直接對應的形式，只有通過編譯器的處理才能轉化為JVM可以理解的位元組碼指令。
  • Java源代碼需要經過編譯器的編譯過程，才能生成相應的位元組碼文件，然後再由JVM載入、解釋執行。在編譯過程中，編譯器對源代碼進行語法分析、類型檢查、優化等操作，最終生成與目標平臺相容的Java位元組碼文件。
  • JVM只能夠載入和運行符合Java虛擬機規範的.class位元組碼文件，而不能夠直接載入和運行Java源代碼文件。

編譯

知道原因後，我又問JVM，我怎麼才能變成class文件呢，JVM告訴我可以通過javac命令。

javac

javac 是 Java 編譯器命令，用於將 Java 源代碼文件編譯成位元組碼文件（.class 文件）。

命令格式

javac [options] [source files]

  • options：為編譯選項，可以控制編譯器的行為，例如指定類路徑、生成調試信息、壓縮文件等。
  • source files：為需要編譯的 Java 源代碼文件，可以指定多個文件，用空格隔開。如果不指定源代碼文件，則 `javac` 命令會在當前目錄查找所有擴展名為 .java 的文件進行編譯。

需要註意的是，`javac` 命令需要在正確配置 JDK 環境後才能使用。JDK（Java Development Kit）是 Java 開發工具包的縮寫，是 Java 應用程式開發的核心組件之一。

具體實現

編譯器在編譯源文件時，需要對源文件進行語法分析、語義分析和類型檢查等操作。

  • 語法分析：javac命令首先將源文件讀入記憶體，然後進行詞法分析和語法分析。詞法分析器負責將源文件中的字元序列轉換成一個個單詞（Token），然後語法分析器將單片語合成可以被解釋執行的語法結構，形成抽象語法樹（AST）。
  • 語義分析：javac命令在生成AST之後，進行語義分析。語義分析器主要是為了檢查程式中是否存在語義錯誤，例如變數未定義、類型不匹配等，如果發現語義錯誤，編譯器會輸出錯誤信息，並中止編譯過程，不會生成位元組碼文件。
  • 類型檢查：javac命令在語義分析的基礎上，進行類型檢查。類型檢查器主要是檢查程式的類型是否匹配和相容，如果類型不匹配或不相容，編譯器會在編譯期間報告錯誤。
  • 代碼生成：javac命令在生成抽象語法樹後，對其進行優化和轉化，最終生成位元組碼文件。編譯器會根據目標代碼的平臺和版本，生成適當的位元組碼文件。

執行

知道怎麼變身後，我立即通過javac命令，讓自己變成可以被JVM執行的class文件。

載入

變成class文件後，我怎麼能進入JVM內部呢，是走著去還是坐車去呢？JVM告訴我要通過類載入器進入。

類載入器

Java類載入器是Java虛擬機（JVM）中的一個重要組件，它負責將類文件（.class文件）載入到JVM中。

分類

Java 中的類載入器是按照其載入類的特點進行分類的，主要有以下幾種類型：

  • 啟動類載入器（Bootstrap ClassLoader）：負責載入 JRE/lib/rt.jar 中的核心 Java 類庫，是最頂層的類載入器，不是 Java 類（因為在 JVM 實現時就已經存在）。
  • 擴展類載入器（Extension ClassLoader）：負責載入 JRE/lib/ext 目錄下的擴展類庫，也是由 C++ 實現的類載入器。
  • 應用程式類載入器（APP ClassLoader）：負責載入應用程式的類，包括在 CLASSPATH 中指定的類庫或者目錄中的 Java 類。
  • 自定義類載入器（Custom ClassLoader）：繼承自 ClassLoader 類，實現自己的類載入器，主要用於載入一些自定義的類或者修改某些類的位元組碼。

查看使用的類載入器

代碼：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        //啟動類載入器
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        //擴展類載入器
        System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader());
        //應用程式類載入器
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());
        //擴展類載入器的父載入器
        System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader().getParent());
        //應用程式類載入器的父載入器
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());
    }
}

執行結果：

自定義類載入器

自定義類載入器主要包括兩種類型：

  • 獨立的自定義類載入器，通過重載 ClassLoader 類中的 findClass 方法來實現載入類文件的功能；
  • 基於 URLClassLoader 類實現的自定義類載入器，使用 URL 的形式來指定類文件的位置。

重載ClassLoader

代碼：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    private String basePath;

    public CustomClassLoader(String basePath) {
        this.basePath = basePath;
    }

    @Override
    public Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] data = getClassData(name);
        if (data == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            // 使用 defineClass 方法將 byte 數組轉換為 Class 對象
            return defineClass(name, data, 0, data.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = basePath + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try (InputStream inputStream = new FileInputStream(path);
             ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream()) {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int length;
            while ((length = inputStream.read(buffer)) != -1) {
                outputStream.write(buffer, 0, length);
            }
            return outputStream.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

說明：

上述代碼繼承了ClassLoader類，並重寫了其中的findClass()方法，實現從指定目錄中載入類文件的功能。

在findClass()方法中，首先通過getClassData()方法讀取並返回類文件的位元組數組，如果獲取的位元組數組為空，則拋出ClassNotFoundException異常；否則，使用defineClass()方法將位元組數組轉換為 Class 對象，並返回該對象。

在getClassData()方法中，根據傳入的類名生成類文件路徑，並使用FileInputStream將類文件讀入位元組數組中。

使用:

public class CustomClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創建自定義類載入器，指定類文件所在的目錄
        CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("F:\\classes");

        // 使用自定義類載入器載入 Hello 類
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.something.Hello");
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(obj);
    }
}

基於 URLClassLoader

代碼：

public class CustomURLClassLoader extends URLClassLoader {
    public CustomURLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {
        super(urls, parent);
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 調用父類 loadClass 方法進行委托載入
            Class<?> clazz = super.findClass(name);
            return clazz;
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            // 如果父類無法載入，則嘗試在 URL 中載入
            byte[] data = getClassData(name);
            if (data == null) {
                throw new ClassNotFoundException();
            } else {
                // 使用 defineClass 方法將 byte 數組轉換為 Class 對象
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            }
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = className.replace('.', '/') + ".class";
        URL[] urls = getURLs();
        for (URL url : urls) {
            try {
                URL classUrl = new URL(url, path);
                // 使用 URLConnection 檢查類文件是否存在
                try (InputStream is = classUrl.openStream();
                     ByteArrayOutputStream os = new ByteArrayOutputStream()) {
                    byte[] buffer = new byte[1024];
                    int length;
                    while ((length = is.read(buffer)) != -1) {
                        os.write(buffer, 0, length);
                    }
                    return os.toByteArray();
                }
            } catch (IOException e) {
                // ignore and try next URL
            }
        }
        return null;
    }
}

說明：

上述代碼繼承了 `URLClassLoader` 類，並重寫了其中的 `findClass()` 方法，實現先嘗試使用父類載入器進行載入，如果無法載入，則嘗試使用 URL 載入類文件的功能。在 `getClassData()` 方法中，會遍歷 `URLClassLoader` 中定義的 URL，檢查類文件是否存在，並返回類文件的位元組數組，如果無法找到類文件，則返回 `null`。

使用：

public class CustomURLClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 創建 URL 數組，指定類文件所在的 URL
        URL[] urls = { new URL("file:F:\\classes") };

        // 創建父類載入器，使用系統類載入器
        ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader();

        // 創建自定義 URL 類載入器
        CustomURLClassLoader classLoader = new CustomURLClassLoader(urls, parent);

        // 使用自定義 URL 類載入器載入 Hello 類
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.something.Hello");
        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();
        System.out.println(obj);
    }
}

雙親委派

載入器那麼多，我具體是哪個類進行載入得呢？雙親委派機制告訴我答案.

定義

雙親委派是一種Java類載入器的工作機制，它將類載入請求委派給父類載入器，直到頂級系統類載入器。基本思想是，除非有特殊需求，否則所有類的載入任務都應該由父類載入器完成，從而保證Java核心庫的類型安全和穩定性，並防止惡意代碼的自行佈置。如果一個類沒有在父類載入器中被髮現，子類載入器才會嘗試載入該類。這種類載入器之間的父子關係被稱為“雙親委派模型”.

如圖：

意義

為什麼通過雙親委派進行載入呢？

  • 避免重覆載入
  • 提高安全性
  • 維護Java平臺的一致性
  • 代碼優化

Linking

載入過後，我是否就可以被使用了呢？答案是否定的，我還要經歷Lingking 階段，包括Verification、Preparation 和 Resolution。

Verification(驗證)

在驗證階段，Java虛擬機會進行語法與語義的檢查，以保證class文件的完整性和正確性，同時保證被載入的class與虛擬機的版本相容。主要的檢查內容包括文件格式、位元組碼語義、符號引用等。

Preparation(準備)

在準備階段，Java虛擬機會為類變數分配記憶體，並且賦予初始值。如果類變數包含有靜態變數，那麼這時也會初始化靜態變數。因此，在這個階段，類變數所使用的空間已經被分配，將其設置為預設初始值即可。

Resolution(解析)

在解析階段，將類或介面中的符號引用轉化為直接引用的過程。在 Java 虛擬機載入類時，符號引用是一種指向常量池中某個符號的引用，而直接引用則是指向記憶體中某個位置的直接指針。解析階段可以理解為是在解決類之間的依賴關係，使各個類之間可以像使用自身成員一樣使用別的類中的成員。

初始化

在驗證、準備和解析後，我還要經過初始化，才能被使用。

定義

初始化是指在類載入過程的最後一步，JVM要對類進行一些初始化的操作，確保類可以安全地使用。在這個階段，往往包括靜態變數顯式賦值和靜態代碼塊執行。

內容

靜態變數顯式賦值

當類載入器完成類的載入、驗證、準備後，在初始化階段，JVM對類的靜態變數進行顯式賦值。如果類定義了多個靜態變數，JVM會按照代碼中聲明的順序進行初始化，並且若發現此過程需要訪問到其他未初始化的類，JVM會先完成這些類的初始化。

靜態代碼塊的執行

除了靜態變數的顯式賦值，類的靜態代碼塊也會在初始化階段執行。當JVM執行類載入的Initializing階段時，會執行類中所有靜態代碼塊的內容，如果類中沒有定義靜態代碼塊，則不執行。這個過程一般用於在使用之前對類進行初始化。

介面初始化

當一個類在初始化時，如果發現其父類還未進行初始化，JVM會先對其父類進行初始化。如果該類實現了介面，也會對這個介面進行初始化操作，介面的初始化過程和類一樣，都會進行靜態變數顯式賦值及靜態代碼塊執行，同時還會檢查介面中的所有靜態方法。

功能實現

初始化之後，我才真正的進入JVM中，其它小伙伴需要我的時候，只需要創建我的實例，就可以使用我的功能了，得到我幫助得小伙伴都很感謝我。

GC

在JVM中我過得很開心，也留下了很多足跡。在我走後，如何讓我得足跡不對其他小伙伴有影響呢？GC可以幫我解決這個問題。

定義

GC（Garbage Collection）是JVM提供的垃圾回收機制。在Java中，對象是動態分配的，記憶體是由JVM自動管理，而不是由程式員手動分配和釋放。當一個對象不再被程式引用時，就應該由垃圾回收器回收其占用的記憶體，這樣可以防止記憶體泄漏和提高記憶體的。

小結

通過我的旅行，你知道JVM是怎麼載入一個類的了麽？我們通過載入、Linking、初始化和使用等各個階段，將Java類完整地載入記憶體並執行其中定義的方法和變數。這個過程中，每個階段都扮演著不同的角色，併為類的正常運行提供了必要的支持。

作者：京東物流 陳昌浩

來源：京東雲開發者社區 自猿其說Tech 轉載請註明來源


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