【没啥用的知识】一砖一瓦皆根基 —— Java类加载之Class对象到Klass模型

这是没啥用的知识第一篇技术文章，澜叔准备聊一聊Java中的类加载机制。在写Java程序的时候，你不用知道类加载机制是啥，它从哪里来，要到哪里去，虽然这知识没啥用 ，但是，面试(吹水)或许能顶一顶。

每一个Java程序员在刚开始学Java的时候，第一个了解到的，一定是Java的灵魂——JVM。你写的JavaBug，I‘M sorry，Java代码最终一定是经过Java编译器编译成class文件后，交付给JVM进行逻辑执行。

那么你一定一定要疑惑(否则写不下去了)，Java类是如何与JVM进行交互的呢？下面我们一起来学习一下这些学完就忘的知识。

注：文章中所述的技术，JDK版本皆为JDK1.8

小贴士
JVM只认识Class文件，也就是说，任何一门计算机语言，只要它最后将代码编译成class文件，都能被JVM所执行。
Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等语言就是如此。

一、什么是Class文件

1. class文件是Java代码经过Javac编译后生成的字节码文件，如下图所示。

2. class文件主要包含了魔数、JVM版本号、常量池、常量池计数器、访问标识等信息，如下图所示（截取自 Java虚拟机规范）

• magic：魔数，占4字节。作用是判断这个文件是否为一个虚拟机所能接受的class文件
• minor_version:：副版本号，占2字节，最小支持版本号。
• major_version：主版本号，占2字节，最大支持版本号。
• constant_pool_count：常量池计数器，记录常量池表中的成员数，它的值为常量池表中的成员数+1，常量池表的索引值只有在大于0并且小于constant_pool_count时才认为是有效。
• constant_pool：常量池，包含class文件结构及其子结构中所引用的所有字符串常量、类或接口、字段名和其他常量。
• access_flag：访问标志，用于表示类或接口的访问权限及属性。
• this_class：类索引。
• super_class：父类索引。
• interfaces_count：接口计数器。
• interfaces_count[]：接口表。
• fields_count：字段计数器。
• fields：字段表。
• methods_count：方法计数器。
• methods[]：方法表。
• attributes_count：属性计数器。
• attributes[]：属性表。

3. 每一个Java类在JVM中都会对应创建一个C++类实例，我们称这个C++类为Klass实例(对应hotspot源码中的instanceKlass类)，Klass实例里面存储了java类中所描述的方法、字段、属性等。如下图所示，instanceKlass的字段皆为存储java类文件中的数据所设计，详见hotspot源码中 instanceKlass.hpp文件。

小贴士
JVM在创建InstanceKlass对象时，为其申请的内存空间，远超instanceKlass本身所需要得空间，这是因为InstanceKlass还要存虚表、接口表、以及Java类中的引用类型表。

二、class类加载的过程

1. 加载阶段

1. 通过类的全限定名获取java类编译后生成的class文件，加载进JVM，并解析class文件。
2. 解析完成后，JVM便会在内部创建一个与Java类对等的类模板对象 instanceKlass实例(也是C++的一个类，里面保存了java类的常量池、方法、属性等信息)。

小贴士
解析常量池、解析Java类字段、解析Java类方法这些JVM的精华部分感兴趣的同学，也可以关注微信公众号：云下凤澜。相关文章会在公众号上更新。
下面奉上hotspot源码解析常量池、字段、方法并创建对应的Klass对象部分，代码皆在ClassFileParser.cpp的 parseClassFile方法中，有兴趣的同学可以自己看一看。以下仅截取部分主要代码

instanceKlassHandle ClassFileParser::parseClassFile(Symbol* name,
                                                    ClassLoaderData* loader_data,
                                                    Handle protection_domain,
                                                    KlassHandle host_klass,
                                                    GrowableArray<Handle>* cp_patches,
                                                    TempNewSymbol& parsed_name,
                                                    bool verify,
                                                    TRAPS) {

  // Constant pool   解析常量池
  constantPoolHandle cp = parse_constant_pool(CHECK_(nullHandle));
 //......
    //解析Java类字段
    Array<u2>* fields = parse_fields(class_name,
                                     access_flags.is_interface(),
                                     &fac, &java_fields_count,
                                     CHECK_(nullHandle));
    //......
    //解析Java类方法
    Array<Method*>* methods = parse_methods(access_flags.is_interface(),
                                            &promoted_flags,
                                            &has_final_method,
                                            &declares_default_methods,
                                            CHECK_(nullHandle));

    //....
    // 开始创建与Java对等的Klass对象
    _klass = InstanceKlass::allocate_instance_klass(loader_data,
                                                    vtable_size,
                                                    itable_size,
                                                    info.static_field_size,
                                                    total_oop_map_size2,
                                                    rt,
                                                    access_flags,
                                                    name,
                                                    super_klass(),
                                                    !host_klass.is_null(),
                                                    CHECK_(nullHandle));

}
复制代码

4. 通过instanceKlass生成一个镜像类，放在堆区，即instanceMirrorKlass实例(对应hotspot源码中的 instanceMirrorKlass类)。instanceKlass供jvm内部使用，澜叔认为多生成一个instanceMirrorKlass是因为考虑到运行安全因素，不能直接把类暴露给外部使用，所以弄出了个镜像类实例提供给外部程序调用。

小贴士：

1. java类中的静态变量会存储在instanceMirrorKlass类中，instanceMirrorKlass类里面比instanceKlass类多定义了一个静态字段偏移量的属性，可以通过该属性获取静态变量。

2.Java中的数组类在运行时数据区的生成的实例为 方法区：ArrayKlass。堆区：基本类型数组 TypeArrayKlass，引用类型数组ObjArrayKlass 分别对应hotspot源码里的TypeArrayKlass.cpp 与 ObjArrayKlass.cpp类
3 类加载器是什么时候加载的，如下图，hotspot源码java.c中有一个javaMain方法，javaMain 里面调用了LoadMainClass 方法，你的一切疑惑都在LoadMainClass里面，它的执行逻辑是通过启动类加载器加载类sun.launcher.LauncherHelper，执行该类的方法checkAndLoadMain，加载main函数所在的类，启动扩展类加载器、应用类加载器也是在这个时候完成的。

2. 验证

验证主要就是对Java虚拟机定义的一些约束进行校验，如果校验不通过就抛出异常。

1. 静态约束：

2. 结构化约束

   两种约束的校验都能单独写一篇文章了，这里就不做赘述了，有想深入了解的可以给作者留言或者关注公众号：云下凤澜。

3. 准备

1. 创建类或接口的静态字段，并用默认值初始化这些字段。这个阶段不会执行任何的虚拟机字节码指令。

final修饰类的变量，已经不会再 发生变化，所以在准备阶段就进行赋值了，就没有赋初值这个操作了。

4. 解析

1. 我们从各种某度的文章里总会看到，解析的主要过程就是将符号引用替换为直接引用。那么什么是符号引用呢？ 如下图，下图采用了jclasslib插件展示一个Java类文件编译后产生的class文件信息。我们可以看到方法里面字节码指令后面的 #1等符号就是我们常说的符号引用。

这个符号引用其实就是常量池中的索引(例如#1指向的就是常量池中的第一个类或方法) 如下图所示

，JVM会在准备阶段将这些索引符号替换为直接内存地址。以供后续JVM指令进行调用。

2. 都有那些虚拟机指令需要进行符号引用的解析呢？

anewarray、checkcast、getfield、getstatic、instanceof、nvokedynamic、invokeinterface、invokespecial、invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、multianewarray、new、putfield、putstatic，执行上述任何一条指令都需要对它的符号引用进行解析。

如果在某个符号引用解析过程中发生错误，那么应该在使用该符号引用的程序处抛出IncompatibleClassChangeError或者其子类的异常

5. 初始化

1. 初始化就是 执行类的静态代码块，并且完成静态变量的赋值，我们可以看到，如下图，如果我们的代码里要是有静态变量，并且对静态变量进行赋值了，那么生成的字节码文件中就会有clinit方法。这个clinit就是执行静态变量赋值的指令，而且方法中语句的先后顺序与代码的编写顺序相关

既然初始化的时候可以直接对变量进行赋值，那我们是否可以跳过准备阶段，直接在初始化阶段进行赋值。因为准备阶段主要是赋初值，那我们可以直接要我们写的值，不要初始值。
答案当然是不行，原因如下

初始化阶段主要是依靠clinit方法生成的指令进行赋值，但是如果我们定义一个空的静态变量，那clinit方法中就不会生成这个静态变量相关的赋值代码。如下图，所以这时就需要准备阶段给这个静态变量初始化、赋初值，否则这个变量就丢掉了。

初始化之后就由JVM的执行引擎进行取指执行了，执行引擎有些过于复杂，以后有机会再分析吧。

总结：

1. JVM能执行的就是Class文件，所有计算机语言只要最后生成了Class文件，都可以交给JVM执行。Kotlin、Groovy、JRuby、Jython、Scala等语言就是如此。
2. 由于JVM是由C/C++编写的，所以每一个Java类加载到JVM时都会生成一个对应的C++类，即instanceKlass，存放在方法区(元空间)。同时生成一个instanceKlass的实例对象，即instanceMirrorKlass，放在堆区。
3. JVM类加载机制分为，加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。
4. 加载阶段：
   • 通过类的全限定名获取存储该类的class文件，并对其进行解析
   • 解析后生成对应的C++模板类，即instanceKlass实例，存放在元空间，用于JVM内部使用
   • 在堆区生成该类的Class对象实例，即instanceMirrorKlass，用于其他系统或程序进行调用。
5. 验证阶段主要有静态约束校验，结构化约束校验两种。
6. 准备阶段主要是对静态变量赋初值的操作
7. 解析阶段就是将符号引用(常量池索引)替换为直接引用(方法内存地址)
8. 初始化就是 执行类的静态代码块，并且完成静态变量的赋值。赋值的指令会生成在clinit方法中，当在Java代码中对静态变量赋值了，clinit中才会生成对应的指令。

扩展问题：

• 类的初始化阶段会不会有线程安全问题？
• 类加载阶段会使用synchronized锁机制吗？
• 类加载时延迟偏向锁的原因?
• 如果实现一个类加载器，不按照类加载器机制实现可不可以?

以上问题会在后续文章中解答。

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问君能有几多愁，恰似满屏Bug+需求。