【JavaSE】十九、JVM运行流程 类加载Class Loading

Ⅰ. 运行时数据区（内存布局）

一个Java程序对应一个JVM，而一个JVM对应一套数据区！

1. 程序计数器（PC Register）：这只是一个很小的内存空间，保存着下一条执行的指令的地址。

   1. 它是每个线程私有的，属于线程隔离的数据。
   2. 如果正在执行的是native方法，则这个值是未定义的。
   3. 它的存在是为了解决线程切换后能恢复到正确的执行位置，因此对多线程执行非常关键。

2. 虚拟机栈（JVM Stack）：存放了方法调用的关系。

   1. 虚拟机栈是线程私有的。
   2. JVM栈中每一个元素，称为栈帧（Stack Frame），每个方法在调用时都会创建一个新的栈帧。比如：局部变量，当方法运行结束后，栈帧就被销毁了，即栈帧中保存的数据也被销毁了。
   3. JVM会抛出如StackOverflowError和OutOfMemoryError，都和该区域有关。
   4. 栈帧中包含：
      • 局部变量表
      • 操作数栈
      • 动态连接
      • 方法返回地址
      • 其他信息，保存的都是与方法执行时相关的一些信息。

3. 本地方法栈（Native Method Stack）：用于支持Native方法的调用。

   1. 本地方法栈是线程私有的。
   2. 本地方法栈与虚拟机栈的作用类似，只不过保存的内容是Native方法的局部变量。
   3. 底层是C/C++实现的。
   4. 在有些版本的JVM实现中（例如HotSpot），本地方法栈和虚拟机栈是一起的。

4. 堆（Heap）：JVM中最大的内存区域，保存使用new创建的对象实例。

   1. 堆是线程共享的。
   2. 堆的生命周期：堆是随着程序开始运行时而创建，随着程序的退出而销毁，堆中的数据只要还有在使用，就不会被销毁。
   3. 堆是垃圾回收器的主要工作场所。
   4. 堆细分为：新生代（一个Eden、两个Survivor）和老年代
   5. 堆中每个对象不只是包含字段值，在每个对象的开头还保存了对象头结构，用来管理对象运行时信息的元数据容器，每个Java对象在内存中分为三部分：
      • 对象头（Header）：存储锁状态、GC 分代年龄、哈希码等
      • 实例数据（Instance Data）：对象的字段值
      • 对齐填充（Padding）：补齐内存对齐

5. 方法区(Method Area）：存储类的元数据信息（对象实例存放在堆中，方法区只是存放类的元数据）

   1. 方法区是线程共享的。

   2. 实际上在Java8以后，方法区被 “元数据区” 替代，从原来的 “堆内存” 中移到 “本地内存” 中。

   +-------------------------------+ | 操作系统分配的总内存（物理RAM）| +-------------------------------+ | | | +------------------+ | | +--------v------+ +--------------v------------------+ | JVM 管理区域 | | JVM 外部使用但不直接管理（本地内存）| | | | | | - 堆（heap） | | - 元空间（Metaspace） | | - 栈（stack） | | - DirectBuffer / JNI 内存 | | - 程序计数器 | | - JIT 编译缓存 / 线程内部结构 | +--------------+ +----------------------------------+

   4. 存储内容包括：

      • 类的结构信息（字段、方法、接口、访问修饰符等等）
      • 静态变量
      • 运行时常量池（字面量、符号引用）
      • JIT 编译后的代码（在某些实现中）

Ⅱ. JVM 运行流程

⭐ 大致流程

JVM执行流程大概如下所示：

口诀：编译成 class，加载做五步，解释+JIT，运行靠内存，回收靠 GC。

一、类加载（Class Loading）

类加载是JVM把.class文件（字节码）加载进内存，并在内存中生成一个Class对象的全过程，包括下面三个主要阶段：

1. 加载：通过类加载器把字节码读进来，生成Class对象。
2. 链接：分为验证、准备、解析三个子阶段。
3. 初始化：执行<clinit>静态代码块和静态变量赋值。

二、执行引擎（Execution Engine）

JVM核心部件，负责执行字节码：

• 解释执行：将字节码一行一行解释为机器指令。
• 即时编译（JIT）：将热点代码编译为本地机器码，提高性能。

三、运行时数据区（Runtime Data Area）

JVM内存模型，运行时管理所有数据：

四、本地接口（Native Interface）

JVM可以调用本地语言（如 C、C++）写的函数，依赖JNI（Java Native Interface）。

五、垃圾回收（Garbage Collection, GC）

• 自动管理堆内存，回收无用对象
• 分代回收：新生代、老年代
• 常见算法：标记-清除、复制、标记-整理等

Ⅲ. 类加载Class Loading

一个类在什么时候触发 “加载” 呢❓❓❓

① 构造某个类的实例时

② 调用类的静态方法/静态成员时

③ 使用子类时，也会触发父类的加载

对于一个类来说，它的生命周期是这样子的：

其中前五步是固定的顺序，也是类加载的过程！

一、类加载过程

1. 加载（Loading）
   1. JVM根据类的 “全限定名”，委托给类加载器去加载该类，并遵循双亲委派模型
   2. 然后类加载器从.class文件中读取字节流
   3. 最后JVM将字节流解析为Class对象，放入方法区中（这不等于立即解析所有内容）
2. 验证（Verification）
   1. 确保类的字节码是合法的，防止恶意代码执行：
      • 文件格式验证（确保这是一个 “能看懂” 的.class文件，不是乱写的二进制）
      • 元数据验证（确保类的结构层次是 “符合 Java 语义的”）
      • 字节码验证（防止非法操作、恶意字节码，比如篡改局部变量、栈顶数据，JVM崩溃）
      • 符号引用验证（为解析阶段提前做准备，避免运行时解析失败）
3. 准备（Preparation）
   1. 为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值（不是代码中的赋值）。比如static int a = 10;只分配内存，初始化为默认值0，而还没到赋值为10的阶段。
4. 解析（Resolution）
   1. 将常量池中的符号引用（如类名、字段名）转换为实际的直接引用（内存地址），即对常量进行初始化。
5. 初始化（Initialization）
   1. 执行类的构造方法（类构造器），即静态变量赋值、静态代码块执行等。

二、.class文件的结构

.class文件是一个以字节为单位的严格二进制格式的结构体，包含类的所有元信息、方法字节码、常量池等。如下所示：

ClassFile{u4 magic;// 魔数，标识文件的类型u2 minor_version;// 次版本号u2 major_version;// 主版本号u2 constant_pool_count;// 常量池数量cp_info constant_pool[];// 常量池，包括字符串、类名、方法名、字段名等，最核心的部分u2 access_flags;// 访问标志（public, abstract, final等）u2 this_class;// 当前类的索引（指向常量池）u2 super_class;// 父类索引（指向常量池）u2 interfaces_count;// 实现接口数量u2 interfaces[];// 接口表u2 fields_count;// 字段数量field_info fields[];// 字段表u2 methods_count;// 方法数量method_info methods[];// 方法表u2 attributes_count;// 属性数量attribute_info attributes[];// 属性表（如源码信息、注解、行号表等）}

三、类加载器

类加载器（ClassLoader）是类加载机制的核心，本质上就是一个 "负责读取类的字节流并交给JVM转换为Class对象" 的工具。

JVM提供了三种主要的类加载器：

四、双亲委派模型（Parent Delegation Model）

在类加载的加载阶段，JVM会根据类的全限定名，通过类加载器加载该类。类加载器在加载类时默认遵循 “双亲委派模型”，即优先让父类加载器尝试加载类，只有在父加载器无法加载时，才由当前加载器尝试加载。

原则：从下往上委托，然后先父后子，从上往下加载。

过程如下所示：

1. 当前类加载器先将请求委托给父类加载器，注意是层层委托上去，直到最高层加载器。
2. 然后从最高层父类加载器开始加载class文件，如果加载不到，则一层一层往下尝试是否能进行加载。

这样子做是为了保证：

1. java.lang.Object、String这类核心类一定由启动类加载器加载，避免用户自定义的类覆盖核心类，提升安全性。
   1. 比如用户伪造了一个java.lang.String，但加载器是从上往下的，此时会先加载父类中的java.lang.String，而不会加载到用户伪造的那个版本！
2. 避免类的重复加载。
   1. 比如 A 类和 B 类都有一个父类 C 类，那么当 A 启动时就会将 C 类加载起来，那么在 B 类进行加载时就不需要在重复加载 C 类了。