本篇博客主要針對Java虛擬機的類加載機制郭赐，虛擬機字節(jié)碼執(zhí)行引擎，早期編譯優(yōu)化進行總結(jié)，其余部分總結(jié)請點擊Java虛擬總結(jié)上篇 萧落。

一.虛擬機類加載機制

概述

虛擬機把描述類的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存嚎幸，并對數(shù)據(jù)進行校驗颜矿、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的Java類型嫉晶，這就是虛擬機的類加載機制骑疆。

類加載的時機

類加載的時機不止一種：

• 遇到new等字節(jié)碼指令時會進行類加載
• 反射調(diào)用時會進行類加載

在初始化時，若待初始化的類有父類則其父類先進行初始化(接口除外),并且先初始化包含main的主類替废。需要注意的是子類引用父類非final靜態(tài)變量時箍铭，只初始化靜態(tài)變量所在類，即父類椎镣，而引用final類型static變量不會引起任何初始化诈火，因為其編譯期間就已經(jīng)儲存在常量池中了。另外數(shù)組定義也是不會引發(fā)類的初始化状答。比如

Student[] stus=new Student[10];

是不會引起Student類的初始化的冷守。

類加載的過程

加載過程

通過類的全限定名來獲取定義此類的二進制字節(jié)流，將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)的運行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)惊科，在內(nèi)存中生成一個代表類的數(shù)據(jù)訪問入口的java.lang.Class對象拍摇。

驗證過程

驗證過程的目的是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，并且不會危害虛擬機自身的安全馆截。主要有

• 文件格式驗證：驗證魔數(shù)充活，主次版本號，常量類型等蜡娶。
• 元數(shù)據(jù)驗證：是否有父類混卵，是否繼承了不該繼承的類，抽象類是否實現(xiàn)了方法等窖张。
• 字節(jié)碼驗證：確保程序語義是合法的幕随，符合邏輯的。如類型轉(zhuǎn)換荤堪，跳轉(zhuǎn)指令等合陵。
• 符號引用驗證：對類自身以外的信息（常量池中的各種引用）進行匹配校驗。

準備過程

正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段,只包括類變量而不包括實例變量和final類變量澄阳，而且僅僅只是初始化為0值拥知。

解析過程

虛擬機將常量池內(nèi)的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程。符號引用用一組符號來描述所引用的目標碎赢。而直接引用是直接指向目標的指針低剔，相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。

初始化階段

在初始化階段真正開始執(zhí)行Java程序代碼（字節(jié)碼），執(zhí)行類的構(gòu)造器<clinit>()方法,<clinit>()方法是由編譯器自動收集所有類變量的賦值動作和靜態(tài)語句塊的語句合并而成,同一類中的靜態(tài)塊與類變量按順序初始化,在同一個加載器下襟齿，一個類只會被初始化一次姻锁。

類加載器

實現(xiàn)通過一個類的全限定名獲取描述此類的二進制字節(jié)流的代碼模塊稱為類加載器。比較兩個類是否相等猜欺，一定是在同一個類加載器的前提下進行的位隶，否則哪怕Class文件都一樣也不相等

類加載器的分類

• 啟動類加載器， 負責將存放在<JAVA_HOME>\lib目錄或-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的類庫加載到內(nèi)存中开皿。
• 擴展類加載器涧黄，負責加載<JAVA_HOME>\lib\ext目錄或java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫。
• 應(yīng)用程序類加載器赋荆，負責加載用戶類路徑（classpath）上的指定類庫笋妥，我們可以直接使用這個類加載器。一般情況窄潭，如果我們沒有自定義類加載器默認就是用這個加載器春宣。

雙親委派模型

雙親委派模型

雙親委派模型工作過程是：如果一個類加載器收到類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類嫉你，而是把這個請求委派給父類加載器完成月帝。每個類加載器都是如此，只有當父加載器在自己的搜索范圍內(nèi)找不到指定的類時（即ClassNotFoundException）均抽，子加載器才會嘗試自己去加載嫁赏。

這樣做的好處是Java類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級的層次關(guān)系。

二.虛擬機字節(jié)碼執(zhí)行引擎

虛擬機的執(zhí)行引擎自行實現(xiàn)油挥，可以自行制定指令集與執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)體系。

棧幀

棧幀是用于支持虛擬機進行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)款熬，是虛擬機棧的棧元素深寥。它儲存了方法的局部變量表，操作數(shù)棧贤牛，動態(tài)鏈接惋鹅，方法返回地址，對于活動線程來說殉簸，只有棧頂?shù)臈攀怯行У娜蚣Q為當前棧幀，與其關(guān)聯(lián)的方法叫做當前方法般卑。

局部變量表

局部變量表存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的變量武鲁。單位是slot（槽），最大可以達到32位蝠检。垃圾回收時沐鼠，slot可以復(fù)用，將不使用的變量置為null是有意義的，方便垃圾回收饲梭。局部變量不像類變量乘盖，是沒有初始值的。

JIT編譯器

當虛擬機發(fā)現(xiàn)某個方法或代碼塊運行特別頻繁時憔涉，就會把這些代碼認定為 “Hot Spot Code”（熱點代碼）订框，為了提高熱點代碼的執(zhí)行效率，在運行時兜叨，虛擬機將會把這些代碼編譯成與本地平臺相關(guān)的機器碼穿扳，并進行各層次的優(yōu)化，完成這項任務(wù)的正是 JIT 編譯器浪腐。

方法返回地址

• 遇到方法的返回指令-->正常完成出口
• 遇到異常并且未處理-->異常完成出口纵揍，不會給上層調(diào)用者產(chǎn)生任何返回值

方法調(diào)用

方法在編譯時并不確定方法的真實地址，而是一個符號引用议街，使得Java的動態(tài)擴展能力提升泽谨，在類加載過程甚至運行時才確定目標方法的直接引用。

解析

在類的解析階段將一部分符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用特漩，這部分符號引用代表的方法必須“編譯期可知吧雹，運行時不變”，如靜態(tài)方法涂身，私有方法雄卷，實例構(gòu)造器，父類方法蛤售。final方法也是丁鹉。

分派

靜態(tài)分派(與重載相關(guān))，依賴靜態(tài)類型來定位方法執(zhí)行版本的分派動作悴能。自動轉(zhuǎn)型順序：char->int->long->float->double->Character->Serializable->Object->char...

動態(tài)分派(重寫相關(guān))揣钦，找到操作數(shù)棧頂?shù)牡谝粋€元素所指向的對象的實際類型，若常量池中的描述符和簡單名稱都相符漠酿，則返回直接引用冯凹，否則對其父類進行第二步。

動態(tài)分配的實現(xiàn)：

動態(tài)分配的實現(xiàn)

在類的方法區(qū)建立一個虛方法表提升效率炒嘲，若子類未重寫父類的方法宇姚，則子類的繼承方法中地址和父類方法的地址是一樣的，若重寫了父類的方法夫凸，則子類的方法地址就會改變浑劳，指向自己實現(xiàn)的版本。如上圖Son的clone方法沒有被重寫寸痢，指向的是Object父類的地址呀洲，而hardChoice方法被重寫了，指向的是Son自己實現(xiàn)的地址。

動態(tài)類型語言

類型檢查的主題過程在運行期而不是在編譯期道逗，如Python兵罢，Javascript，Ruby滓窍，PHP卖词，與之相對的就是靜態(tài)語言。

解釋執(zhí)行與編譯執(zhí)行

解釋執(zhí)行為邊解釋邊執(zhí)行吏夯，編譯執(zhí)行則是先將源代碼編譯成目標語言 (如: 機器語言) 之后通過連接程序連接到生成的目標程序進行執(zhí)行此蜈。

基于棧的字節(jié)碼解釋執(zhí)行引擎

• 基于棧的指令集：Java編譯器輸出的指令流
• 基于寄存器的指令集：x86匯編

三.早期編譯器優(yōu)化

編譯器

三種編譯器：

• 前端編譯器:把.java變成.class的過程，eg:Javac
• 后端運行期編譯器(JIT)：把字節(jié)碼變成機器碼的過程,eg:Hotpot的C1噪生，C2編譯器
• 靜態(tài)提前編譯器(AOT):直接把*.java變成機器碼的過程裆赵，eg:GCJ(GNU Compiler for the Java)

解析與填充符號表

詞法分析

標記是編譯過程的最小元素，關(guān)鍵字跺嗽、變量名战授、字面量、運算符都可以成為標記桨嫁，詞法分析就是將源代碼的字符流轉(zhuǎn)變?yōu)闃擞浖稀?/p>

語法分析

語法分析是根據(jù)Token序列構(gòu)造抽象語法樹的過程植兰。抽象語法樹是用來描述程序代碼語法結(jié)構(gòu)的樹形表示方法，每一個節(jié)點都代表著程序代碼的一個語法結(jié)構(gòu)：包璃吧，類型楣导，修飾符等。

注解處理器

類似編譯器的一種插件畜挨，如果插件對語法樹進行了修改筒繁，編譯器將回到解析及填充符號表的過程重新處理。

語義分析

對語法抽象樹進行上下文有關(guān)性質(zhì)的審查巴元，如類型檢查膝晾。

字節(jié)碼生成

將前面各個步驟生成的信息轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼寫到磁盤中，類構(gòu)造器<cinit>和實例構(gòu)造器<init>就是在這個階段添加到語法樹中务冕。

Java語法糖

• 泛型與類型擦除:與C#不一樣，Java的泛型是偽泛型幻赚，在生成的字節(jié)碼中已經(jīng)被替換成了原生類型了禀忆，會自動加上類型轉(zhuǎn)換。
• 遍歷:自動轉(zhuǎn)換為iterator遍歷落恼。
• 裝箱與拆箱:==運算在不遇到算數(shù)運算的情況下不會自動拆箱箩退。equals方法不會處理數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換，而==會佳谦。

條件編譯

編譯器不會編譯if到達不到的語句戴涝，也就是取消分支不成立的代碼塊，可以查看反編譯后的代碼驗證條件編譯。