一个java文件是怎么一步一步执行的

 

说点什么呢，java比你想的要难

写了多年java，发现好多人并不知道一个class文件怎么被解析执行的，所以我也发表下看法

1.  编写java源文件

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2.  把java源文件编译成.class字节码文件，JVM不认识源文件

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 3.  JVM处理class文件

搞java开发，不得不提的就是JVM了，JVM全称是Java Virtual Machine（简称JVM，中文叫Java虚拟机，请务必记住JVM，看到不少人整天JVM的，都不知道它的全称是什么），java的宿主环境，可以认为JVM就是虚拟仿真出来的一台计算机。简单绘了一张图，如下（一图胜千言）：

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java之所以一次编写，到处运行，就是因为虚拟机（虚拟虚拟，虚拟出来的计算机，一台被托管的电脑）的缘故。

 

3.1 jvm处理class文件

 加载是指将java源文件编译之后的class文件读入到内存中，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用于封装类在方法区内的数据结构。类加载的最终目的是封装类在方法区的数据结构，并向java程序员提供访问方法区数据的接口。

类的生命周期一共分为5个阶段，加载、连接、初始化、使用、卸载。

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加载：类的加载过程主要完成3件事件，1.通过类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流，2.将这个类字节流代表的静态存储结构转为方法区的运行时数据结构，3.在堆中生成一个代表此类的java.lang.Class对象，作为访问方法区这些数据结构的入口。这个过程主要是类加载器完成的，如图

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从上图我们就可以看出类加载器之间的父子关系和管辖范围。

BootStrap是最顶层的类加载器，它是由C++编写而成,并且已经内嵌到JVM中了,主要用来读取Java的核心类库JRE/lib/rt.jar

ExtensionClassLoader是是用来读取Java的扩展类库，读取JRE/lib/ext/*.jar

AppClassLoader是用来读取CLASSPATH指定的所有jar包或目录的类文件

甚至可以自定义加载器

加载过程用到了很牛掰的双亲委派模型，它是这样的一套机制：

"类加载器"加载类时,先判断该类是否已经加载过了；

如果还未被加载，则首先委托其"类加载器"的"父类加载器"去加载该类，这是一个向上不断搜索的过程，当类所有的"祖宗类加载器"(包括了bootstrap  classloader)都没有加载到类,则回到发起者"类加载器"去加载,如果还加载不了，则抛出ClassNotFoundException.

请参考http://hg.openjdk.java.net/jdk8/jdk8/jdk/file/687fd7c7986d/src/share/classes/java/lang/ClassLoader.java

连接：这个过程分3个阶段(校验，准备，解析)完成。首先是校验，此阶段主要校验class文件包含的信息是否符合jvm的规范。具体的校验通过对文件格式，元数据，字节码，符号引用验证来完成。然后是准备，此阶段为类变量分配内存，并将其初始化为默认值。最后是解析，即把类型中的符号引用转换成为直接引用。具体的解析有4种，1.类或接口的解析，2.字段解析，3.类方法解析，4.接口方法解析。完成这3个阶段就完成了类的连接。

初始化（很重要）：即执行类的构造器方法的过程。有5种方法可以完成初始化：1.调用new方法，2.使用Class类的newInstance方法(反射机制)，3.使用Constructor类的newInstance方法(反射机制)，4.使用Clone方法创建对象，5.使用(反)序列化机制创建对象

码农开发用new关键字创建对象，而框架（spring，mybatis等）特别喜欢用第2和3种方式创建对象，还记得我说的框架四要素吗，其中有一要素就是反射机制

使用：完成类的初始化后，就可以对类进行实例化，在程序中进行使用了

卸载：当类被加载，连接和初始化后，它的生命周期就始了，当代表类的class对象不在被引用时，class对象就会结束生命周期，类在方法区内的数据就会被卸载。因此一个类何时结束生命，取决于代表它的class对象何时结束生命。

 

3.2  JVM的内存结构

Java程序在运行时，需要在内存中的分配空间。为了提高运算效率，就对数据进行了不同空间的划分，因为每一片区域都有特定的处理数据方式和内存管理方式，如上图，Java中的内存分配了5个区：

 Method Area方法区

方法区是被所有线程共享，所有字段和方法字节码，以及一些特殊方法如构造函数，接口代码也在此定义。简单说，所有定义的方法的信息都保存在该区域，此区域属于共享区间。

静态变量+常量+类信息+运行时常量池存在方法区中，实例变量存在堆内存中。

 Heap 堆：堆这块区域是JVM中最大的，应用的对象和数据都是存在这个区域，这块区域也是线程共享的，也是 gc 主要的回收区，一个 JVM 实例只存在一个堆类存，堆内存的大小是可以调节的。类加载器读取了类文件后，需要把类、方法、常变量放到堆内存中，以方便执行器执行。

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注jdk8永久代改为了metaspace元空间

Stack 栈：栈也叫栈内存，主管Java程序的运行，是在线程创建时创建，它的生命期是跟随线程的生命期，线程结束栈内存也就释放，对于栈来说不存在垃圾回收问题，只要线程一结束该栈就Over，生命周期和线程一致，是线程私有的， 基本类型的变量和对象的引用变量都是在函数的栈内存中分配。遵循“先进后出”/“后进先出”原则。

PC Register程序计数器

每个线程都有一个程序计算器，就是一个指针，指向方法区中的方法字节码（下一个将要执行的指令代码），由执行引擎读取下一条指令，是一个非常小的内存空间，几乎可以忽略不记。

Native Method Stack本地方法栈

它的具体做法是Native Method Stack中登记native方法，在Execution Engine执行时加载native libraies。

 

暂且这么多，以后接着补充。。。。。。

 

参考：

0. The Java® Language Specification（8）  https://docs.oracle.com/javase/specs/jls/se8/html/index.html

1. The Java® Virtual Machine Specification (8) https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

我想于java码农而言，没有比这这两个官方上千页的规范更重要的了，看清楚了：一个是Java语言规范，一个是Java虚拟机规范

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当然还有其他规范为了方便码农开发

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2. Advanced Java Bytecode Tutorial  https://www.jrebel.com/blog/java-bytecode-tutorial

3.  深入JVM:ClassLoader相关知识简介   https://developer.51cto.com/art/201009/227269.htm

4. Java Class Loader  https://javapapers.com/core-java/java-class-loader/

5. Understanding the Java ClassLoader  https://www.ibm.com/developerworks/java/tutorials/j-classloader/j-classloader.html

6. Advanced Java Class Tutorial: A Guide to Class Reloading  https://www.toptal.com/java/java-wizardry-101-a-guide-to-java-class-reloading

7. 看完这篇文章你还敢说你懂JVM吗？ https://virtual.51cto.com/art/201901/591418.htm?mobile

8. JVM  internals  https://blog.jamesdbloom.com/JVMInternals.html#jvm_system_threads

9.  Difference between initializing a class and instantiating an object? 

https://stackoverflow.com/questions/15074083/difference-between-initializing-a-class-and-instantiating-an-object

10. class-loader-subsystem-jvm-internals  https://codepumpkin.com/class-loader-subsystem-jvm-internals/

 

参考书籍：

0.  Java编程思想  （第1,,2,5,8，14章节）

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 1.  Virtual Machines

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模仿一台计算机

原文链接:https://www.cnblogs.com/dongguangming/p/12858832.html
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