3.jvm的类加载机制，虚拟机执行字节码的过程

计算机只认识 0 和 1，所以任何语言编写的程序都需要编译成机器码才能被计算机理解，然后执行，Java 也不例外。
Java 在诞生的时候喊出了一个非常牛逼的口号：“Write Once, Run Anywhere”，为了达成这个目的，Sun 公司发布了许多可以在不同平台（Windows、Linux）上运行的 Java 虚拟机（JVM）——负责载入和执行 Java 编译后的字节码。


image.png

到底 Java 字节码是什么样子，我们借助一段简单的代码来看一看。

package com.cmower.java_demo;

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("沉默王二");
    }

}

我们来查看编译后的字节码文件

00000000: cafe babe 0000 0034 0022 0700 0201 0019  .......4."......
00000010: 636f 6d2f 636d 6f77 6572 2f6a 6176 615f  com/cmower/java_
00000020: 6465 6d6f 2f54 6573 7407 0004 0100 106a  demo/Test......j
00000030: 6176 612f 6c61 6e67 2f4f 626a 6563 7401  ava/lang/Object.
00000040: 0006 3c69 6e69 743e 0100 0328 2956 0100  ..<init>...()V..
00000050: 0443 6f64 650a 0003 0009 0c00 0500 0601  .Code...........
00000060: 000f 4c69 6e65 4e75 6d62 6572 5461 626c  ..LineNumberTabl

这段字节码中的 cafe babe 被称为“魔数”，是 JVM 识别 .class 文件的标志。
Class 文件的第 7 - 8 个字节代表了 Class 文件的主版本号（Major Version），即编译该 Class 文件的 JDK 主版本号。

image.png

对比上面表格中的数据，那么我们可以知道，这个 Class 文件是由 JDK1.8 编译的。
至于其他内容，以后再加以说明。
说完字节码在说回类加载机制
以下为类加载的相关文档：

1.加载

加载阶段是类加载过程的第一个阶段。在这个阶段，JVM 的主要目的是将字节码从各个位置（网络、磁盘等）转化为二进制字节流加载到内存中，接着会为这个类在 JVM 的方法区创建一个对应的 Class 对象，这个 Class 对象就是这个类各种数据的访问入口。
（反射里的class对象就是这个class对象）
其实加载阶段用一句话来说就是：把代码数据加载到内存中。

2.验证

即验证字节码文件是否能被jvm执行。
ps：一个很简单的例子，如果你的程序是正常能通过编译期的，那么你的字节码文件按照16进制打开的话，前8位一定是cafe babe(咖啡宝贝)，该8位又称为java的魔数，如果class文件前8位不是这个，虚拟机将拒绝执行。

3.准备阶段

当完成字节码文件的校验之后，JVM 便会开始为类变量分配内存并初始化。这里需要注意两个关键点，即内存分配的对象以及初始化的类型。
内存分配的对象。Java 中的变量有「类变量」和「类成员变量」两种类型，「类变量」指的是被 static 修饰的变量，而其他所有类型的变量都属于「类成员变量」。在准备阶段，JVM 只会为「类变量」分配内存，而不会为「类成员变量」分配内存。「类成员变量」的内存分配需要等到初始化阶段才开始。
例如下面的代码在准备阶段，只会为 factor 属性分配内存，而不会为 website 属性分配内存。

public static int factor = 3;
public String website = "xuxiao";

初始化的类型。在准备阶段，JVM 会为类变量分配内存，并为其初始化。但是这里的初始化指的是为变量赋予 Java 语言中该数据类型的零值，而不是用户代码里初始化的值。
例如上面的代码在准备阶段之后，factor 的值将是 0，而不是 3。
当然也有例外，如果是被final static修饰的常量，则在此阶段即可被赋值。

4解析

当通过准备阶段之后，JVM 针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符 7 类引用进行解析。这个阶段的主要任务是将其在常量池中的符号引用替换成直接其在内存中的直接引用。
那什么是符号引用，什么是直接引用？
符号引用以一组符号（任何形式的字面量，只要在使用时能够无歧义的定位到目标即可）来描述所引用的目标。
在编译时，Java 类并不知道所引用的类的实际地址，因此只能使用符号引用来代替。比如 com.Wanger 类引用了 com.Chenmo 类，编译时 Wanger 类并不知道 Chenmo 类的实际内存地址，因此只能使用符号com.Chenmo。
直接引用通过对符号引用进行解析，找到引用的实际内存地址。

5.初始化（重点）

该阶段是类加载过程的最后一步。在准备阶段，类变量已经被赋过默认初始值，而在初始化阶段，类变量将被赋值为代码期望赋的值。换句话说，初始化阶段是执行类构造器方法的过程。
到了初始化阶段，用户定义的 Java 程序代码才真正开始执行。在这个阶段，JVM 会根据语句执行顺序对类对象进行初始化，一般来说当 JVM 遇到下面 5 种情况的时候会触发初始化：
1.遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这4条指令的最常见的Java代码场景是：使用new关键字实例化对象的时候、读取或设置一个类的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候，以及调用一个类的静态方法的时候。
2.使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
3.当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
4.当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。
5.当使用 JDK1.7或以上 动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果 REF_getstatic,REF_putstatic,REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化。

6.使用

当 JVM 完成初始化阶段之后，JVM 便开始从入口方法开始执行用户的程序代码。这个阶段也只是了解一下就可以。

7.卸载

当用户程序代码执行完毕后，JVM 便开始销毁创建的 Class 对象，最后负责运行的 JVM 也退出内存。这个阶段也只是了解一下就可以。

我们来看一个例子：

public class Book {
     int price = 110;
    static int amount = 112;
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("Hello xuxiao.");
    }

    Book()
    {
        System.out.println("书的构造方法");
        System.out.println("price=" + price +",amount=" + amount);
    }

   

    static
    {
        System.out.println("书的静态代码块");
    }

   
}

它的执行结果是什么？

书的静态代码块
Hello xuxiao.

下面我们来简单分析一下，首先根据上面说到的触发初始化的5种情况的第4种（当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类），我们会进行类的初始化。
那么类的初始化顺序到底是怎么样的呢？
重点来了！
在我们代码中，我们只知道有一个构造方法，但实际上Java代码编译成字节码之后，是没有构造方法的概念的，只有类初始化方法 和 对象初始化方法 。
那么这两个方法是怎么来的呢？

类初始化方法

编译器会按照其出现顺序，收集类变量的赋值语句、静态代码块，最终组成类初始化方法。类初始化方法一般在类初始化的时候执行。
上面的这个例子，其类初始化方法就是下面这段代码了：

 static
    {
        System.out.println("书的静态代码块");
    }
    static int amount = 112;

对象初始化方法

编译器会按照其出现顺序，收集成员变量的赋值语句、普通代码块，最后收集构造函数的代码，最终组成对象初始化方法。对象初始化方法一般在实例化类对象的时候执行。

 int price = 110;
    System.out.println("书的构造方法");
    System.out.println("price=" + price +",amount=" + amount);

下面来看一道练习：

class Grandpa
{
    static
    {
        System.out.println("爷爷在静态代码块");
    }
}    
class Father extends Grandpa
{
    static
    {
        System.out.println("爸爸在静态代码块");
    }

    public static int factor = 25;

    public Father()
    {
        System.out.println("我是爸爸~");
    }
}
class Son extends Father
{
    static 
    {
        System.out.println("儿子在静态代码块");
    }

    public Son()
    {
        System.out.println("我是儿子~");
    }
}
public class InitializationDemo
{
    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("爸爸的岁数:" + Son.factor);  //入口
    }
}

猜下执行结果：
结果：

爷爷在静态代码块
爸爸在静态代码块
爸爸的岁数:25

也许会有人问为什么没有输出「儿子在静态代码块」这个字符串？
这是因为对于静态字段，只有直接定义这个字段的类才会被初始化（执行静态代码块）。因此通过其子类来引用父类中定义的静态字段，只会触发父类的初始化而不会触发子类的初始化。
对面上面的这个例子，我们可以从入口开始分析一路分析下去：
首先程序到 main 方法这里，使用标准化输出 Son 类中的 factor 类成员变量，但是 Son 类中并没有定义这个类成员变量。于是往父类去找，我们在 Father 类中找到了对应的类成员变量，于是触发了 Father 的初始化。
但根据我们上面说到的初始化的 5 种情况中的第 3 种（当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化）。我们需要先初始化 Father 类的父类，也就是先初始化 Grandpa 类再初始化 Father 类。于是我们先初始化 Grandpa 类输出：「爷爷在静态代码块」，再初始化 Father 类输出：「爸爸在静态代码块」。
最后，所有父类都初始化完成之后，Son 类才能调用父类的静态变量，从而输出：「爸爸的岁数：25」。

再来看一个更难的题：

public class Book {
    public static void main(String[] args)
    {
        staticFunction();
    }

    static Book book = new Book();

    static
    {
        System.out.println("书的静态代码块");
    }

    {
        System.out.println("书的普通代码块");
    }

    Book()
    {
        System.out.println("书的构造方法");
        System.out.println("price=" + price +",amount=" + amount);
    }

    public static void staticFunction(){
        System.out.println("书的静态方法");
    }

    int price = 110;
    static int amount = 112;
}

执行结果

书的普通代码块
书的构造方法
price=110,amount=0
书的静态代码块
书的静态方法

下面我们一步步来分析一下代码的整个执行流程。
在上面两个例子中，因为 main 方法所在类并没有多余的代码，我们都直接忽略了 main 方法所在类的初始化。
但在这个例子中，main 方法所在类有许多代码，我们就并不能直接忽略了。
当 JVM 在准备阶段的时候，便会为类变量分配内存和进行初始化。此时，我们的 book 实例变量被初始化为 null，amount 变量被初始化为 0。
当进入初始化阶段后，因为 Book 方法是程序的入口，根据我们上面说到的类初始化的五种情况的第四种（当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含main()方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类）。所以JVM 会初始化 Book 类，即执行类构造器 。
JVM 对 Book 类进行初始化首先是执行类构造器（按顺序收集类中所有静态代码块和类变量赋值语句就组成了类构造器 ），后执行对象的构造器（按顺序收集成员变量赋值和普通代码块，最后收集对象构造器，最终组成对象构造器 ）。

对于 Book 类，其类构造方法（）可以简单表示如下：

static Book book = new Book();
static
{
    System.out.println("书的静态代码块");
}
static int amount = 112;

于是首先执行static Book book = new Book();这一条语句，这条语句又触发了类的实例化。于是 JVM 执行对象构造器 ，收集后的对象构造器 代码：

{
    System.out.println("书的普通代码块");
}
int price = 110;
Book()
{
    System.out.println("书的构造方法");
    System.out.println("price=" + price +", amount=" + amount);
}

于是此时 price 赋予 110 的值，输出：「书的普通代码块」、「书的构造方法」。而此时 price 为 110 的值，而 amount 的赋值语句并未执行，所以只有在准备阶段赋予的零值，所以之后输出「price=110,amount=0」。
当类实例化完成之后，JVM 继续进行类构造器的初始化：

static Book book = new Book();  //完成类实例化
static
{
    System.out.println("书的静态代码块");
}
static int amount = 112;

即输出：「书的静态代码块」，之后对 amount 赋予 112 的值。
到这里，类的初始化已经完成，JVM 执行 main 方法的内容。

public static void main(String[] args)
{
    staticFunction();
}

即输出：「书的静态方法」。

总结

从上面几个例子可以看出，分析一个类的执行顺序大概可以按照如下步骤：
确定类变量的初始值。在类加载的准备阶段，JVM 会为类变量初始化零值，这时候类变量会有一个初始的零值。如果是被 final 修饰的类变量，则直接会被初始成用户想要的值。
初始化入口方法。当进入类加载的初始化阶段后，JVM 会寻找整个 main 方法入口，从而初始化 main 方法所在的整个类。当需要对一个类进行初始化时，会首先初始化类构造器（），之后初始化对象构造器（）。
初始化类构造器。JVM 会按顺序收集类变量的赋值语句、静态代码块，最终组成类构造器由 JVM 执行。
初始化对象构造器。JVM 会按照收集成员变量的赋值语句、普通代码块，最后收集构造方法，将它们组成对象构造器，最终由 JVM 执行。
如果在初始化 main 方法所在类的时候遇到了其他类的初始化，那么就先加载对应的类，加载完成之后返回。如此反复循环，最终返回 main 方法所在类。
参考：我竟然不再抗拒 Java 的类加载机制了
JVM基础系列第5讲：字节码文件结构

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