一个 java 文件的 JVM 之旅

作者：快乐非自愿限量之名

2023-11-08
福建
本文字数：5787 字
阅读完需：约 19 分钟

准备

我是小 C 同学编写得一个 java 文件，如何实现我的功能呢？需要去 JVM(Java Virtual Machine)这个地方旅行。

变身

我高高兴兴的来到 JVM，想要开始 JVM 之旅，它确说：“现在的我还不能进去，需要做一次转换，生成 class 文件才行”。为什么这样呢？

JVM 不能直接加载 java 文件的原因:

Java 源代码中包含了许多高级语言特性和语法，比如类、继承、多态、异常处理等等。这些高级特性在 JVM 中没有直接对应的形式，只有通过编译器的处理才能转化为 JVM 可以理解的字节码指令。

Java 源代码需要经过编译器的编译过程，才能生成相应的字节码文件，然后再由 JVM 加载、解释执行。在编译过程中，编译器对源代码进行语法分析、类型检查、优化等操作，最终生成与目标平台兼容的 Java 字节码文件。

JVM 只能够加载和运行符合 Java 虚拟机规范的.class 字节码文件，而不能够直接加载和运行 Java 源代码文件。

编译

知道原因后，我又问 JVM，我怎么才能变成 class 文件呢，JVM 告诉我可以通过 javac 命令。

javac

javac 是 Java 编译器命令，用于将 Java 源代码文件编译成字节码文件（.class 文件）。

命令格式

javac [options] [source files]

options：为编译选项，可以控制编译器的行为，例如指定类路径、生成调试信息、压缩文件等。

source files：为需要编译的 Java 源代码文件，可以指定多个文件，用空格隔开。如果不指定源代码文件，则 `javac` 命令会在当前目录查找所有扩展名为 .java 的文件进行编译。

需要注意的是，`javac` 命令需要在正确配置 JDK 环境后才能使用。JDK（Java Development Kit）是 Java 开发工具包的缩写，是 Java 应用程序开发的核心组件之一。

具体实现

编译器在编译源文件时，需要对源文件进行语法分析、语义分析和类型检查等操作。

语法分析：javac命令首先将源文件读入内存，然后进行词法分析和语法分析。词法分析器负责将源文件中的字符序列转换成一个个单词（Token），然后语法分析器将单词组合成可以被解释执行的语法结构，形成抽象语法树（AST）。

语义分析：javac命令在生成 AST 之后，进行语义分析。语义分析器主要是为了检查程序中是否存在语义错误，例如变量未定义、类型不匹配等，如果发现语义错误，编译器会输出错误信息，并中止编译过程，不会生成字节码文件。

类型检查：javac命令在语义分析的基础上，进行类型检查。类型检查器主要是检查程序的类型是否匹配和兼容，如果类型不匹配或不兼容，编译器会在编译期间报告错误。

代码生成：javac命令在生成抽象语法树后，对其进行优化和转化，最终生成字节码文件。编译器会根据目标代码的平台和版本，生成适当的字节码文件。

执行

知道怎么变身后，我立即通过 javac 命令，让自己变成可以被 JVM 执行的 class 文件。

加载

变成 class 文件后，我怎么能进入 JVM 内部呢，是走着去还是坐车去呢？JVM 告诉我要通过类加载器进入。

类加载器

Java 类加载器是 Java 虚拟机（JVM）中的一个重要组件，它负责将类文件（.class 文件）加载到 JVM 中。

查看使用的类加载器

代码：

public class ClassLoaderTest {    public static void main(String[] args) {        //启动类加载器        System.out.println(String.class.getClassLoader());        //扩展类加载器        System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader());        //应用程序类加载器        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());        //扩展类加载器的父加载器        System.out.println(sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService.class.getClassLoader().getParent());        //应用程序类加载器的父加载器        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader().getParent());    }}

复制代码

执行结果：

自定义类加载器

自定义类加载器主要包括两种类型：

独立的自定义类加载器，通过重载 ClassLoader 类中的 findClass 方法来实现加载类文件的功能；

基于 URLClassLoader 类实现的自定义类加载器，使用 URL 的形式来指定类文件的位置。

重载 ClassLoader

代码：

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 方法将 byte 数组转换为 Class 对象            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;        }    }}

复制代码

说明：

上述代码继承了ClassLoader类，并重写了其中的findClass()方法，实现从指定目录中加载类文件的功能。

在findClass()方法中，首先通过getClassData()方法读取并返回类文件的字节数组，如果获取的字节数组为空，则抛出ClassNotFoundException异常；否则，使用defineClass()方法将字节数组转换为 Class 对象，并返回该对象。

在getClassData()方法中，根据传入的类名生成类文件路径，并使用FileInputStream将类文件读入字节数组中。

使用:

public class CustomClassLoaderTest {    public static void main(String[] args) throws Exception {        // 创建自定义类加载器，指定类文件所在的目录        CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("F:\\classes");
        // 使用自定义类加载器加载 Hello 类        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.something.Hello");        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();        System.out.println(obj);    }}

复制代码

基于 URLClassLoader

代码：

public class CustomURLClassLoader extends URLClassLoader {    public CustomURLClassLoader(URL[] urls, ClassLoader parent) {        super(urls, parent);    }
    @Override    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {        try {            // 调用父类 loadClass 方法进行委托加载            Class<?> clazz = super.findClass(name);            return clazz;        } catch (ClassNotFoundException e) {            // 如果父类无法加载，则尝试在 URL 中加载            byte[] data = getClassData(name);            if (data == null) {                throw new ClassNotFoundException();            } else {                // 使用 defineClass 方法将 byte 数组转换为 Class 对象                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 检查类文件是否存在                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;    }}

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说明：

上述代码继承了 `URLClassLoader` 类，并重写了其中的 `findClass()` 方法，实现先尝试使用父类加载器进行加载，如果无法加载，则尝试使用 URL 加载类文件的功能。在 `getClassData()` 方法中，会遍历 `URLClassLoader` 中定义的 URL，检查类文件是否存在，并返回类文件的字节数组，如果无法找到类文件，则返回 `null`。

使用：

public class CustomURLClassLoaderTest {    public static void main(String[] args) throws Exception {        // 创建 URL 数组，指定类文件所在的 URL        URL[] urls = { new URL("file:F:\\classes") };
        // 创建父类加载器，使用系统类加载器        ClassLoader parent = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        // 创建自定义 URL 类加载器        CustomURLClassLoader classLoader = new CustomURLClassLoader(urls, parent);
        // 使用自定义 URL 类加载器加载 Hello 类        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.example.something.Hello");        Object obj = clazz.getDeclaredConstructor().newInstance();        System.out.println(obj);    }}

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双亲委派

加载器那么多，我具体是哪个类进行加载得呢？双亲委派机制告诉我答案.

定义

双亲委派是一种 Java 类加载器的工作机制，它将类加载请求委派给父类加载器，直到顶级系统类加载器。基本思想是，除非有特殊需求，否则所有类的加载任务都应该由父类加载器完成，从而保证 Java 核心库的类型安全和稳定性，并防止恶意代码的自行布置。如果一个类没有在父类加载器中被发现，子类加载器才会尝试加载该类。这种类加载器之间的父子关系被称为“双亲委派模型”.

如图：

意义

为什么通过双亲委派进行加载呢？

避免重复加载

提高安全性

维护 Java 平台的一致性

代码优化

Linking

加载过后，我是否就可以被使用了呢？答案是否定的，我还要经历 Lingking 阶段，包括 Verification、Preparation 和 Resolution。

Verification(验证)

在验证阶段，Java 虚拟机会进行语法与语义的检查，以保证 class 文件的完整性和正确性，同时保证被加载的 class 与虚拟机的版本兼容。主要的检查内容包括文件格式、字节码语义、符号引用等。

Preparation(准备)

在准备阶段，Java 虚拟机会为类变量分配内存，并且赋予初始值。如果类变量包含有静态变量，那么这时也会初始化静态变量。因此，在这个阶段，类变量所使用的空间已经被分配，将其设置为默认初始值即可。

Resolution(解析)

在解析阶段，将类或接口中的符号引用转化为直接引用的过程。在 Java 虚拟机加载类时，符号引用是一种指向常量池中某个符号的引用，而直接引用则是指向内存中某个位置的直接指针。解析阶段可以理解为是在解决类之间的依赖关系，使各个类之间可以像使用自身成员一样使用别的类中的成员。

初始化

在验证、准备和解析后，我还要经过初始化，才能被使用。

定义

初始化是指在类加载过程的最后一步，JVM 要对类进行一些初始化的操作，确保类可以安全地使用。在这个阶段，往往包括静态变量显式赋值和静态代码块执行。

内容

静态变量显式赋值

当类加载器完成类的加载、验证、准备后，在初始化阶段，JVM 对类的静态变量进行显式赋值。如果类定义了多个静态变量，JVM 会按照代码中声明的顺序进行初始化，并且若发现此过程需要访问到其他未初始化的类，JVM 会先完成这些类的初始化。

静态代码块的执行

除了静态变量的显式赋值，类的静态代码块也会在初始化阶段执行。当 JVM 执行类加载的 Initializing 阶段时，会执行类中所有静态代码块的内容，如果类中没有定义静态代码块，则不执行。这个过程一般用于在使用之前对类进行初始化。

接口初始化

当一个类在初始化时，如果发现其父类还未进行初始化，JVM 会先对其父类进行初始化。如果该类实现了接口，也会对这个接口进行初始化操作，接口的初始化过程和类一样，都会进行静态变量显式赋值及静态代码块执行，同时还会检查接口中的所有静态方法。

功能实现

初始化之后，我才真正的进入 JVM 中，其它小伙伴需要我的时候，只需要创建我的实例，就可以使用我的功能了，得到我帮助得小伙伴都很感谢我。

GC

在 JVM 中我过得很开心，也留下了很多足迹。在我走后，如何让我得足迹不对其他小伙伴有影响呢？GC 可以帮我解决这个问题。

定义

GC（Garbage Collection）是 JVM 提供的垃圾回收机制。在 Java 中，对象是动态分配的，内存是由 JVM 自动管理，而不是由程序员手动分配和释放。当一个对象不再被程序引用时，就应该由垃圾回收器回收其占用的内存，这样可以防止内存泄漏和提高内存的。

小结

通过我的旅行，你知道 JVM 是怎么加载一个类的了么？我们通过加载、Linking、初始化和使用等各个阶段，将 Java 类完整地载入内存并执行其中定义的方法和变量。这个过程中，每个阶段都扮演着不同的角色，并为类的正常运行提供了必要的支持。

文章转载自：京东云技术团队

原文链接：https://www.cnblogs.com/jingdongkeji/p/17814733.html

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一个 java 文件的 JVM 之旅

准备

变身

编译

javac

命令格式

具体实现

执行

加载

类加载器

分类

查看使用的类加载器

自定义类加载器

重载 ClassLoader

基于 URLClassLoader

双亲委派

定义

意义

Linking

Verification(验证)

Preparation(准备)

Resolution(解析)

初始化

定义

内容

静态变量显式赋值

静态代码块的执行

接口初始化

功能实现

GC

定义

小结

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