探究类加载过程 | Java是如何做到一次编译到处运行的？

悠悠 2023-10-14 21:36 17阅读 0赞

## 前言 ##

Java 一直以来备受青睐，是“互联网大厂”企业级后端服务偏爱的语言。我们通过 TIOBE 编程排行榜也可一览其平均江湖地位和受欢迎程度。

![image.png][]

![get_code_OWZiZGM5ZmNhMWEwOGU2ZTQ3N2I4NGQ1MjY1MTQ2MGMsMTY5MjIzODY0NzA1Ng][]

近两年随着人工智能的兴起（风头正盛），Python赶超跃居榜首，Java看似不再佔據前两位。查看2023年8月份的榜单时，甚至已被挤出前三！难道Java已经凉凉？已跌落神坛？实际上，Java的需求依然是很大，Java在后端语言的领导地位仍无法撼动「手动狗头」（但不可否认的，很卷、市场饱和、门槛已经大幅度提升...）。

![image.png][image.png 1]

![get_code_Yzc1OTQxZGM2MjczZjg1MGQ2N2UxNjlmMDAxNGRlZjYsMTY5MjIzODY0NzA1Ng][]

这主要还得归因于它很多优化点和特性。如**跨平台、面向对象编程、强大的开源生态和社区、稳定性和可靠性、安全性**等。

**跨平台** 这个特性，绝对是Java的巨大优势。是实现号称“一次编译到处运行”的关键。而实现这一目标的重要环节就是类加载。

## 一、程序的执行过程 ##

要理解类的加载，那先了解在java中一个类的执行过程。  
废话不多说了，上代码：

arduino复制代码package com.jvm.test;
    
    public class Book {
    
        public static void main(String[] args) {
            String name = "《三体》";
            System.out.printf("一本你不看，都不知道何为“惊艳”二字的书：" + name);
        }
    }

简单的代码，那具体的执行过程是怎样的呢？

![image.png][image.png 2]

![get_code_NmVhMmZmYjNkMzBmZWJiMGVkNjZjZjBlZDI4NDI1MWEsMTY5MjIzODY0NzA1Ng][]

如上图，java源文件通过编译器编译为.class字节码文件，字节码文件通过JVM虚拟机，先进行字节码校验，然后再通过解释器 或 JIT编译器 翻译为特定平台的本地机器码，最终实现在不同的操作系统上运行。  
其中，关于字节码翻译为机器码，JVM并不一定总是先将字节码翻译成本地机器码。JVM有两种执行策略：

*  **解释执行**：JVM会逐条解释执行字节码指令，将其翻译成本地机器码后直接执行。一句话，就是边翻译边执行。
 *  **JIT编译**：JIT编译器会将经常执行的热点代码翻译成机器码，缓存起来以供后续使用，以提高性能。并且通常只对热点代码进行一次编译。然后在后续执行中直接使用已翻译好的本地机器码。  
    而如何判断是否为热点代码，会使用到一种叫“热点探测”的技术。这个不是本章的重点，了解下即可。

Java编译器将源代码编译为字节码，这是一种与具体平台无关的中间表示。然后，JVM负责将字节码翻译成适用于特定操作系统和硬件平台的机器码。从软件层面屏蔽了不同操作系统在底层硬件与指令的区别。使得Java应用程序可以在不同的操作系统上运行，从而实现“一次编译到处运行“的跨平台目标。

## 二、类的加载过程 ##

当我们通过开发工具（IDEA、Eclipse等）运行这个类的main方法来启动程序时，实际上也是在后台调用java命令来执行该类的.class字节码文件。‘

通过Java命令执行代码后，其底层大体流程如下：

![image.png][image.png 3]

![get_code_ZmQxYWZlZjgwNjFjMjM3Y2Y0N2ZmYzNlMTAwNmIzYjksMTY5MjIzODY0NzA1Ng][]

再看一个类在JVM中的生命周期：

![image.png][image.png 4]

![get_code_YTRjN2Q3Mjk4MDdlOTdkNzc2YTdlMDk5ZWVlYjNiZDcsMTY5MjIzODY0NzA1Ng][]

而类的加载过程需要经过前五个步骤，即：加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化。

*  **加载（Loading）**：类加载过程的第一步，类加载器会根据类的全限定名查找并加载类的字节码。将字节码从磁盘上查找并加载到内存，并创建一个java.lang.Class对象表示这个类，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。  
    需要注意的是，是使用到这个类才会加载，例如调用类的main()方法、new对象等。
 *  **链接（Linking）：** 链接阶段分为三个子阶段：
    
     *  **验证（Verification）：** 验证被加载类的字节码，确保它符合Java虚拟机规范，不会引发安全问题。
     *  **准备（Preparation）：** 为类的静态变量分配内存，并赋默认的初始值。  
        例如下面的代码，在准备阶段，只会为price属性分配内存和赋初始值0，而不会为name属性分配内存。  
        这里的初始值，一般是根据数据类型来决定的，比如数值类型会设置为0， 引用类型会设置为null。至于用户希望的最终值的赋予，将在初始化阶段进行。  
        例如下面代码，在这个阶段赋予price属性的初始值是0，而不是45。
     *  ini复制代码
     *  public static int price = 45; public String name = "《三体》";
     *  但如果一个变量是常量（被static final修饰）的话，那么在这个阶段，属性将会被赋予用户希望的值。例如下面的代码，在这个阶段，num的值将直接是99，而不是0。
     *  arduino复制代码
     *  public static final int num = 99;
     *  为何static final变量会直接赋予用户希望的值，而static变量会被赋予零值？稍微想一下也能明白了。  
        final关键字，在Java中代表不可变的意思。既然一旦赋值就不会再变，那就在准备阶段直接赋予用户希望的值。而没有被final修饰的静态变量，而没有被filal修饰的静态变量，可能在初始化阶段或运行阶段还会发生变化，所以没必要在准备阶段赋予最终值。
 *  **解析（Resolution）：** 将符号引用（例如类、方法、字段的引用）解析为直接引用（内存地址）。
 *  **初始化（Initialization）：** 在这一阶段，类的静态初始化代码块（static块）会被执行，静态变量会被赋予初始值。  
    例如下面的代码，在初始化阶段，将会触发静态变量book对象的实例化、静态代码块将会被执行、静态变量price将会被赋予用户希望的值45。
 *  csharp复制代码
 *  static TestDynamicLoadBook book = new TestDynamicLoadBook(); static \{ System.out.println("书的静态代码块"); \} public static int price = 45;
 *  **使用（Using）：** 当JVM完成初始化后，JVM便开始从入口方法执行程序代码。
 *  **卸载（Uninstall）：** 当程序执行完毕，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。

类被加载到方法区后，主要包含 **运行时常量池**、**类型信息**、**字段信息**、**方法信息**、**类加载器的引用**、**对应class实例的引用**等信息。

**类加载器的引用**：这个类到类加载器实例的引用。  
**对应class实例的引用**：类加载器把类信息加载放到方法区后，会创建一个对应的java.lang.Class对象实例放到堆（Heap）中，作为开发人员访问方法区中类定义的入口。

另外，主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。jar包 或 war包的类也不是一次性加载，是使用到才加载。

## 三、牛刀小试 ##

理解了类的加载过程，那我们来看一个栗子。  
看看输出结果是依次是什么。

csharp复制代码package com.jvm;
    
    public class TestDynamicLoadBook {
        public static void main(String[] args)
        {
            staticFunc();
            System.out.printf("price="+price);
        }
    
        static TestDynamicLoadBook book = new TestDynamicLoadBook();
    
        static
        {
            System.out.println("书的静态代码块");
        }
    
        {
            System.out.println("书的普通代码块");
        }
    
        TestDynamicLoadBook()
        {
            System.out.println("书的构造方法");
            System.out.println("name=" + name +",author=" + author +",price=" + price);
        }
    
        public static void staticFunc(){
            System.out.println("书的静态方法");
    
        }
    
        public static int price = 45;
        public static final String author  = "刘慈欣";
        public String name = "《三体》";
    }

输出结果是：

ini复制代码书的普通代码块
    书的构造方法
    name=《三体》,author=刘慈欣,price=0
    书的静态代码块
    书的静态方法
    price=45

下面来分析一下代码的整个执行过程。  
首先，再回顾类加载过程的几个步骤：加载、链接（验证、准备、解析）、初始化。因为准备 和 初始化 是影响我们这个示例输出结果的两个重要阶段。

*  **准备**阶段：为静态变量分配内存并设置初始值。
 *  **初始化**阶段：静态变量被赋予用户期望的值，静态代码块会被执行。

**代码示例分析：**

*  首先，在准备阶段，静态变量book被分配内存，初始值为null; 静态变量price也被分配内存，初始值为0; 常量author被分配内存并赋值为“刘慈欣”；
 *  java复制代码
 *  static TestDynamicLoadBook book = new TestDynamicLoadBook(); public static int price = 45; public static final String author = "刘慈欣";
 *  然后，进入初始化阶段：  
    a. Book类被触发实例化，也就是创建book对象。先执行对象的实例初始化块，也就是普通代码块，因此输出：「书的普通代码块」；
 *  在Java中，无论使用哪种构造器构造对象，首先都会运行初始化块（实例初始化块），然后才会运行构造器的主体部分。
 *  然后执行构造方法，输出：「书的构造方法」、「name=《三体》,author=刘慈欣,price=0」。
 *  这个结果，关于 name=《三体》和 price=0 可能有点小疑问。
 *  先解释price: 这里的price为0，是因为在Java中，代码的执行是按代码在类文件中的顺序依次执行的。在我们的示例中， public static int price = 45;语句在 static TestDynamicLoadBook book = new TestDynamicLoadBook();语句之后，初始化阶段，此时还才执行到book对象的实例化的构造方法的调用，静态变量price的初始化还未被执行到，因此尚未被赋值。
 *  解释name=《三体》：name是Book类的成员变量，在执行 static TestDynamicLoadBook book = new TestDynamicLoadBook(); 语句后进行对象的实例化，构造器会被调用，成员变量就会被赋予预期的值。
 *  b. 执行静态代码块，输出：「书的静态代码块」
 *  最后，在main方法中：  
    a. 静态方法staticFunc被调用，输出：「书的静态方法」。  
    b. 打印静态变量price的值，此时price的值已经在初始化阶段赋值为45，所以输出： 「price=45」。

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