一个 java 文件的 JVM 之旅 | 京东物流技术团队

作者：京东科技开发者

2023-11-07
北京
本文字数：5780 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。

作者：京东物流陈昌浩
来源：京东云开发者社区自猿其说 Tech 转载请注明来源

发布于: 刚刚阅读数: 7

原文链接:【http://xie.infoq.cn/article/b47130bface5cb2d12dba693b】。文章转载请联系作者。

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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

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