java类字节码与加载机制

JVM运行机制

基本概念

计算机是没有办法直接运行java代码的，也没有办法直接运行java编译的字节码。在实际的运行过程中，需要将编译好的字节码交给JVM去执行。JVM会把字节码转化为实际的机器码

栈

栈(stack)又称为堆栈活堆叠，栈作为一种数据结构，是一种只能在一端进行插入和删除操作的特殊线性表。它按照先进后出的原则存储数据，先进后出的原则存储数据。

JVM运行方式

虚拟机常用的实现方式有两种：基于栈的和基于寄存器的。我们的JVM是基于栈的。

这两种虚拟机的区别在于，基于寄存器的虚拟机，执行速度会更快，但是可移植性差。

基于栈的虚拟机，虽然指令比寄存器的多，但是可移植性好，实现更简单。

类字节码

我们都知道，java是需要编译的。当.java命令被编译后称为.class文件。这个.class文件就是类字节码文件。

类字节码结构

类字节码由十个部分组成

1. 魔数（Magic Number）
2. 版本号（Minor&Major Version）
3. 常量池（Constant Pool）
4. 类访问标记(Access Flags)
5. 类索引（This Class）
6. 超类索引（Super Class）
7. 接⼝表索引（Interfaces）
8. 字段表（Fields）
9. ⽅法表（Methods）
10. 属性表（Attributes）

魔数

java的魔数其实就是标识它是一个java文件的标志。当我们用010editor打开.class文件时，发现它的前四个字节是CAFEBABE(咖啡宝贝)

常量池

对于JVM字节码来说，如果操作数非常小或者很常用的数字0之类的，这些操作数是内嵌到字节码中的。如果是字符串常量和较大的整数等，class文件是把这些操作数存储在一个叫做常量池(Constant Pool)的地方，当使用这些操作数时，使用的是常量池数据中的索引位置。常量池的作用有点类似于C语言中的符号表，但是比符号表要强大得多。

常量池的基本机构如下：

{
	u2     constant_pool_count;  //常量池大小
	cp_info  constant_pool[constant_pool_count-1];  //若干常量池选项
}

字段表与方法表

字段表：类中定义的字段会被存储到这个集合中，包括类中定义的静态和非静态字段，不包括方法内部定义的变量。

{
   u2          fields_count;
   filed_info       fields[fileds_count];
}

方法表：类中定义的方法会被存储在这里，与字段表很类似，方法表也是一个变长结构。

{
    u2         methods_count;
    method_info    methods[methods_count];
}

属性表中的Code

Code属性包含了所有方法的字节码，它的结构如下：

字节码指令的基本结构

java虚拟机的指令由一个字节长度的操作码和紧随其后的操作数构成。”字节码”这个名字的由来也是因为操作码的长度用一个字节表示。

大部分字节码指令包含了所要操作的类型信息。比如ireturn 用于返回一个int类型的数据 return 用于返回一个double类型的数据。

后面的操作数一一在常量池中有对应。比如#15其实就是printStream中的println方法。而invokervirtual就是指调用实例方法。

常见指令：

1. ldc -> 将int,float或String型常量值从常量池中推送⾄栈顶(宽索引)
2. xload -> 将指定类型的本地变量推送⾄栈顶 (x代表任意字符串)
3. xstore -> 将指定类型的栈顶值存⼊本地变量中 (x代表任意字符串)
4. pop -> 将栈顶数值弹出(数值不能是long或double类型的)
5. dup -> 复制栈顶数值并将复制值压⼊栈顶
6. xadd -> 将栈顶两指定型数值相加并将结果压⼊栈顶 (x代表任意字符串)
7. goto -> ⽆条件跳转 • xreturn -> 从当前⽅法返回指定类型 (x代表任意字符串)
8. invokevirtual -> 调⽤实例⽅法
9. invokespecial -> 调⽤超类构建⽅法, 实例初始化⽅法, 私有⽅法
10. invokestatic -> 调⽤静态⽅法
11. invokeinterface -> 调⽤接⼝⽅法 • invokedynamic -> 调⽤动态⽅法

JAVA类加载

java文件通过编译器变成了.class文件，接下来类加载器又将这些.class文件加载到jvm中。其中类装载器的作用其实就是类的加载。

类加载的具体过程可以拆分为三个步骤，分别是加载\链接以及初始化。

这些工作实际都在jvm当中完成。（在java中它们被封装成native函数）

类加载种类

Boostratp ClassLoader(启动类加载器)这个类加载器负责将一些核心的，被JVM识别的类加载进来，用c++实现，与JVM是一体的。

Extension Classloader(扩展类加载器)这个类加载器用来加载java的扩展库 *Application Classloader（App类加载器/系统类加载器）用于加载我们自己定义编写的类。

User ClassLoader(用户自己实现的类加载器)当实际需要自己掌控类加载过程时才会用到，一般没有用到。

因此除了Bootstrap ClassLoader之外，其他的ClassLoader都是可以在java代码中找到的

类加载的方法

1. loadClass(加载指定的Java类)
2. findClass(查找指定的java类)
3. findLoaderClass(查找JVM已经加载过的类)
4. defineClass(定义一个Java类)
5. resolveClass(链接指定的java类)

类加载的两种方式

Java类加载方式分为显示和隐式，显示即我们通常使用java反射或者ClassLoader来动态加载一个类对象。而隐式指的是类名.方法名()或new类实例。显式类加载方式也可以理解为类动态加载，我们可以自定义类加载去加载任意的类。

//通过反射加载类
class.forName("com.test.test")；

//主动调用ClassLoader加载类
this.getClass().getClassloader().loadclass("com.test.test")

通过反射去加载实际还是使⽤了的ClassLoader，这两者在本质上并⽆区别

什么是双亲委派机制

定义：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类时)，子加载器才会尝试自己去加载。这个机制就叫做双亲委派机制。

实现：

1. 检查请求的类是否已经被加载过了。
2. 未加载，则请求父类加载器去加载对应路径下的类。
3. 如果加载不到，才由下面的子类依次去加载。