面试专题：简述一下JVM加载class文件的原理

2024-01-15 10:45:29 浏览数 (1)

一、前言

本文主要讲解关于简述一下JVM加载class文件的原理，这也是在面试中，如果涉及到JVM相关的面试必问的环节。可以围绕，Java类文件编译之后的class文件，类加载器，列加载过程，和双亲委派进行回答，接下来分别讲解一下。

二、Java字节码class文件

class文件也就是也就是java文件编译之后生成的可执行文件，可以用javac 命令进行生成

直接只用记事本打开class文件是乱码的，这可以推荐一个插件，在IDEA安装BinEd这个插件就看class文件的字节码了

安装完成之后，在File->Open as Binary 就可以打卡class文件了。

可以看到Class文件开头的四个字节的无符号整数称为魔数(MagicNumber)。

魔数是Class文件的标识。值是固定的，为0xCAFEBABE（下插曲：为什么java是个咖啡☕，也是这个原因）

如果一个Class文件的头四个字节不是0XCAFEBABE，虚拟机在进行文件校验的时候会报错。使用魔数而不是扩展名来识别Class文件，主要是基于安全方面的考虑，因为文件扩展名可以随意更改。比如把MP4文件后缀改成class后缀。

三、类加载器

类加载器分为四种：前三种为虚拟机自带的加载器

启动类加载器(Bootstrap) C

负责加载SJAVA_HOME中jre/lib/rt,jar里所有的class，由C 实现，不是ClassLoader子类也叫系统类加载器，负责加载classpath中指定的iar包及目录中class

扩展类加载器(Extension)Java

负责加载iava平台中扩展功能的一些iar包，包括S]AVA HOME中ire/lib/jar或-Diavaext.dirs指定目录下的iar包

应用程序类加载器(AppClassLoader) Java

用户自定义加载器：Java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式

工作过程

1、当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。

2、当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。

3、如果BootStrapClassLoader加载失败(例如在$JAVA_HOME/jre/lib未查找到该class)，会使用ExtClassLoader来尝试加载

4、若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载

5、如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundEx(eption

这其实这就是所谓的双亲委派模型

简单来说:如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上。

好处:防止内存中出现多份同样的字节码(安全性角度)器最终得到的都是同样一个 object对象，防止篡改JDK代码

四、类加载过程

JVM（Java虚拟机）加载class文件的原理主要包括以下几个步骤：

  1. 加载（Loading）：当Java程序启动时，JVM会通过类加载器（ClassLoader）来加载需要执行的主类。类加载器会根据类的全限定名（包括包名和类名）查找对应的class文件，并将其字节码数据加载到内存中。
  2. 验证（Verification）：在加载完class文件后，JVM会对字节码数据进行验证，确保其符合Java虚拟机规范，没有安全问题。验证主要包括文件格式验证、元数据验证和字节码验证。
  3. 准备（Preparation）：在验证通过后，JVM会为类的静态变量分配内存空间，并给定默认初始值（0或null）。这一步操作主要是为类的静态变量预留空间，防止后续使用时出现内存溢出。
  4. 解析（Resolution）：解析阶段主要是将类、接口、字段和方法的符号引用转化为直接引用。直接引用指向目标对象在内存中的具体位置，而符号引用只是一个符号性的标识。解析过程可能涉及到对其他类的加载和解析，这个过程可能是动态进行的。
  5. 初始化（Initialization）：初始化阶段主要是执行类构造器<clinit>（）方法。该方法主要负责初始化类的静态变量和执行静态初始化块。在<clinit>方法执行之前，类的静态变量已经被赋予了默认初始值。

通过以上五个阶段，JVM完成了对class文件的加载和初始化。

总结

Java代码在编译后首先会变成Java字节码（class文件），字节码被类加载器加载到JVM里，JVM执行字节码，最终需要转化为汇编指令在CPU上执行，Java中所使用的并发机制依赖于JVM的实现和CPU的指令，具体流程如下：

加载：Java类编译之后生成class文件，JVM会将class文件加载到内存中，生成这个类的一个Class对象

链接：将java类的二进制代码合并带JRE中，加载到类加载器，验证类信息是否符合JVM规范，有没安全问题；解析类变量（static）、常量赋予初始值，所以这些都不是在初始化时生成的

初始化：执行类构造器方法，如果发现父类没有初始化，会先去初始化父类

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