这是我参与第三届青训营-后端场笔记创作活动的第1篇笔记。

java类的加载机制

什么是类的加载

• 类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区内创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构，类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象
• 类加载器并不需要等到某个类被首次主动使用时加载，jvm规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它
• 如果在预先加载过程中遇到了.class文件缺失或者存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才会报告错误

加载.class文件的方式

• 从本地系统中直接加载
• 通过网络下载
• 从zip等归档文件中加载
• 从专有数据库中提取
• 将java源文件动态编译成.class文件

类的生命周期

\

类的加载过程包括了加载、验证、准备、解析和初始化五个阶段

加载

查找并加载类的二进制数据

• 通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。
• 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。
• 在Java堆中生成一个代表这个类的 java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

\

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

连接

• 验证：确保被加载的类的正确性

• • 验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

• • • 文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以 0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
    • 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了 java.lang.Object之外。
    • 字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
    • 符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

• 准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

• • 这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
  • 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

这里还需要注意如下几点：

• • 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
  • 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
  • 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
  • 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

• 解析：把类中的符号引用转换为直接引用

• • 符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。
  • 直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

• 初始化

初始化是为类的静态变量赋予正确的初始值，jvm负责进行初始化，主要对类变量进行初始化

在java中对类变量进行初始值设定有两种方式

• • 声明类变量时指定初始值
  • 使用静态代码块为类变量指定初始值

• JVM初始化步骤

• • 1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
  • 2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类
  • 3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

• 类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

• • 创建类的实例，也就是new的方式
  • 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
  • 调用类的静态方法
  • 反射（如 Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
  • 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
  • Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（ JavaTest），直接使用 java.exe命令来运行某个主类

• 结束生命周期

• • 执行了System.exit()方法
  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或者错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致java虚拟机进程终止

类加载器

• 注意：父类加载器并不是通过继承关系来实现，而是采用组合实现的

启动类加载器：负责加载存放在JDK/jre/lib下或者被-Xbootclasspath参数指定的路径中并且能被虚拟机识别的类库，启动类加载器无法被java程序直接引用

\

扩展类加载器：该加载器负责加载JDK/jre/lib/ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库，开发者可以直接使用扩展类加载器

\

应用程序类加载器：负责加载用户类路径所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器

\

\

jvm类加载机制

• 全盘负责：当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也由该类加载器负责载入，除非显式地使用另一个类加载器来载入
• 父类委托：先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才会尝试从自己地类路径中加载该类
• 缓存机制：缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class

类的加载

\

• 命令行启动应用时由JVM初始化加载
• 通过Class.forName()方法动态加载
• 通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()的区别

• Class.forName()将类的.class文件加载到JVM中之外，还会对类进行解释，执行类中的static块
• ClassLoader.loadClass()只会将.class文件加载到JVM中，不会执行static中的内容，只有在newInstance才会执行static块
• Class.forName()带参函数也可以控制是否加载static块

双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它会将请求委托给父加载器，依次向上，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需要的类时，才会到子加载器中加载该类

双亲委派机制：

• 当AppClassLoader加载一个.class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器完成
• 当ExtClassLoader加载一个.class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成
• 如果BoostrapClassLoader加载失败，会使用ExtClassLoader尝试加载
• 若ExtClassLoader加载失败，则会使用AppClassLoader来加载，如果AppClassLoader也加载失败，则会抛出ClassNotFoundException

双亲委派机制的作用：

• 系统类防止内存中出现多份同样的字节码
• 保证java程序安全稳定运行

JVM的内存结构

JVM的内存结构主要分为三大块：堆内存、方法区和栈空间，堆内存是JVM中最大的一块空间，方法区存储类信息、常量和静态变量等数据，是线程共享的区域，栈分为java虚拟机栈和本地方法栈

\

\

java堆内存（Heap）

• java的堆内存是一块被所有线程共享的一块内存区域，在虚拟机启动时创建，几乎所有的对象实例都在这里分配内存
• java堆内存是GC管理的主要区域
• 根据java虚拟机规定，java的堆内存可以处于物理上不连续的内存空间中，只要逻辑上是连续的即可

java方法区（Method Area）

• 方法区和堆区一样，都是各个线程共享的，它用于存储已经被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量和即时编译器编译后的代码等数据
• 很多人习惯把方法区称为永久代，但是本质上不等价，只能说使用永久代来实现方法区

程序计数器

• 程序计数器是一块较小的内存空间，它的作用是当前线程所执行的字节码的行号指示器，在虚拟机的概念模型里可能会通过一些高效的方法去实现，字节码解释器工作时就是通过改变这个计数器的值来确定下一条需要执行的字节码指令
• java虚拟机的多线程是通过线程轮流切换并分配处理器执行时间的方式来实现的，在任意一个确定的时刻，一个处理器只能执行一条线程中的一条指令
• 程序计数器是每个线程独立拥有的，各个线程之间的计数器互不干扰
• 如果线程正在执行的是一个java方法，这个计数器记录的就是正在执行的虚拟机字节码指令的地址；如果正在执行的是Natvie方法，这个计数器值为空

JVM栈

• 与程序计数器一样，java栈是线程私有的，它的生命周期和线程相同。虚拟机栈描述的是java方法执行的内存模型，每个方法被执行的时候都会创建一个栈帧用于存储局部变量表、操作栈、动态链接等
• 每一个方法调用直至执行完成的过程中，就对应着一个栈帧在虚拟机栈中入栈到出栈的过程
• 局部变量表存放了编译期可知的各种基本数据类型、对象引用，根据不同的虚拟机实现，他可能是一个指向对象起始地址的引用指针，也可能指向一个代表对象的句柄或者其他与此对象相关的位置
• 在java虚拟机规范中，对这个区域规定了两种异常状况：如果线程请求的栈深度大于虚拟机允许的栈深度时，会抛出StackOverFlowError异常，如果虚拟机栈可以动态扩展，当扩展后无法申请到足够的内存时会抛出OutOfMemoryError异常

本地方法栈

• 本地方法栈与虚拟机栈所发挥的作用是非常相似的，只不过虚拟机栈为执行java方法服务，本地方法栈为悉尼及使用到的Native方法服务

GC算法 垃圾回收器

概述

垃圾收集通常称为GC，在JVM中，程序计数器、虚拟机栈和本地方法栈都是随线程而生随线程死的，栈帧随着方法的进入和退出做入栈和出栈操作，实现了自动的内存清理，因此我们的内存垃圾回收主要集中于java堆内存和方法区中

对象存活判断

\

• 引用计数法：每个对象有一个引用计数属性，新增一个引用时计数加1，引用释放时计数减1，计数为0时可以回收，此方法简单，但是无法解决对象相互循环引用的问题
• 可达性分析：从GC Roots开始往下搜索，搜索所走过的路径称为引用链，当一个对象到GC Roots没有任何引用链相连时，则证明此对象是不可用的

\

在java中，GC Roots包括：

• 虚拟机栈中引用的对象
• 方法区中类静态属性实体引用的对象
• 方法区中常量引用的对象
• 本地方法栈中JMI引用的对象

垃圾收集算法

\

• 标记-清除算法

这种算法分为标记和清除两个阶段：首先标记所有需要回收的对象

，在标记完成后统一回收掉所有被标记的对象

\

缺点：

• • 效率问题，标记和清除效率都不高
  • 空间问题，清除之后会产生大量不连续的内存碎片

• 复制算法

他将可用内存按照容量划分为大小相等的两块，每次只使用其中的一块，当这一块内存用完了，就将还存活着的对象复制到另外一块上面，然后再把已经使用过的内存空间一次性清理掉

优点：

• • 这样使得每次都是对其中的一块进行内存回收，内存分配时也就不用考虑内存碎片等复杂情况，只要移动堆顶指针，按顺序分配内存即可

缺点：

• • 这种算法的代价是将内存缩小为原来的一半，持续复制长生存期的对象会导致效率降低