GitHub-理解JVM系列：

https://github.com/kevinten10/Effective-Java

一、类文件结构

Java虚拟机不和包括Java在内的所有编程语言绑定，它只和”class文件”这种特定的二进制文件格式所关联

class文件中包含了Java虚拟机指令集和符号集以及若干其他辅助信息

Java：*.java => javac => ↘
jruby：.rb => jrubyc => → 字节码 .class => Java虚拟机
groovy：… => groovyc => ↗

1. class类文件结构

8位字节为基础单位的二进制流
各个数据项目，严格按照顺序紧密排列，无任何分隔符
若需占用8个字节以上，按高位在前的方式分割成若干8字节（最高位在地址最低处）
只有两种数据类型
- 无符号数：u1,u2,u3,u4代表1，2，3，4个字节
- 表：由多个无符号数或其他表构成的复合类型

2. 字节码指令

1字节长度+参数：2^8 = 256种
虚拟机面向操作数栈，而不是寄存器，故大多数不包括操作数
放弃操作数长度对齐
- 优点：无需补齐，高效
- 缺点：需要从字节中重建出具体数据的结构
操作码只有一个字节

do{
  1. PC+1
  2. 根据PC位置，从字节码流中取出操作码
  3. if(操作数存在){取出操作数}
  4. 执行操作码
}while(字节码流>0)

3. class文件格式

classfile{
    u4              magic               魔数
    u2              minor_version       次版本号
    u2              major_version       主版本号
①☆ u2              constant_pool_count
②☆ cp_info         constant_pool    
    u2              access_flags        访问标志：类/接口层次的访问信息
    u2              this_class 类索引
    u2              super_class 父类索引
    u2              interfaces_count    实现接口数
③  u2              interfaces  
    u2              fields_count        成员变量
④☆ field_info      fields 
    u2              methods_count       方法
⑤☆ method-info     methods 
    u2              arttributes_count 
⑥☆ attribute_info  attributes 
}

* info结尾为表结构

①常量池计数值
②常量表

类和接口的全限定名
字段的名称和描述符–>未初始化（运行时初始化），无具体信息
方法的名称和描述符–>未初始化，无真正内容信息

③实现的接口
④字段表集合/成员变量 –> 类变量/实例变量
⑤方法表集合：方法描述，重载方法–>不同特征签名
⑥属性表集合：class文件，字段表，方法表都可以携带自己的属性表集合

Java虚拟机指令设计

将输入的虚拟机代码在加载或执行时，翻译成另一虚拟机的指令集
JIT，翻译成CPU本地指令集

二、虚拟机类加载机制

1. 类加载

懒惰加载机制：

有且仅有五种情况 => 立即初始化

new，读取/设置静态域，调用静态方法
反射加载（.class加载时不初始化）
初始化一个类，对其父类先初始化
执行的主类在VM启动时
动态方法句柄？

除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化–>“被动引用”

.class
调用父类静态域，子类不会初始化
接口初始化时，不要求父类接口初始化，调用时才初始化

类加载过程解析：

1. 加载

通过类的全限定名，获取类的二进制字节流（.class文件）
将字节流代表的静态存储结构—>方法区的运行时数据区
在内存中生成此class对象，作为方法区的访问入口

2. 连接（与加载交叉进行）

2.1 验证

是否符合虚拟机要求
保护虚拟机安全
是否有编译错误

文件格式验证：是否符合class文件格式，魔数、版本号、常量池类型….

元数据验证：是否符合Java语言规范，验证方法区中的语法语义

字节码验证：逻辑验证（最复杂）

符号引用验证：解析时发生

=>若确保不需要验证，可使用-Xverify：none关闭验证

2.2 准备

为类变量分配内存并设置初始值（非初始化）
设置为零值（内存全部置0），引用类型逻辑上为null
static final域根据定义设置初始值，如“123”

2.3 解析

将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程
- 符号引用：字面量，class格式中，与内存无关
- 直接引用：直接指向目标的指针（内存中）
类接口解析
字段解析
类方法解析
接口方法解析

3. 初始化

初始化static域
父类先于子类
多线程同时初始化一个类，线程安全，只有一个执行其余阻塞

2. 类加载器

Java虚拟机外部
通过类的全限定名获取类的二进制字节流
每一个类加载器，都有一个独立的类名称空间
比较类是否“相等”，只有同一个类加载器时才有意义（类似于命名空间的作用）

1. 双亲委派模型

启动类加载器
- 扩展类加载器
  - 应用程序类加载器
    - 自定义类加载器

启动类加载器

是虚拟机的一部分，由C++实现
加载 JAVA_HOME/lib 目录中的类

扩展类加载器

加载 JAVA_HOME/lib/exb 目录中的类
由Java实现

应用程序类加载器

加载用户类路径 CLASSPATH 上指定的类库
系统类加载器，程序中默认的类加载器
Java实现

类加载过程

如果一个类加载器收到类加载请求，首先不自己去加载
将请求委派给父类处理，所有请求都传送到顶层的启动类加载器
只有父类加载器反馈自己无法完成这个加载请求（搜索范围没有找到所需的类）
才会由子类加载器尝试去加载

优点：在不同程序中，启动类加载的同一个类，不随程序变化

3. 虚拟机字节码执行引擎

虚拟机最核心的组成部分之一

运行时栈帧结构：stack frame （在虚拟机栈区域，线程私有）

1. 局部变量表

变量值存储空间，存放方法参数，方法内部变量
容量以变量槽slot为最小单位
- 32位
- 64位：32+32
通过索引定位使用局部变量表：从0至最大slot数
- 若是实例方法，则索引0为对象实例的引用（this）
slot可重用，节省空间

2. 操作数栈

最大深度在编译时写入
字节码指令指向栈中存入/提取内容，如算术运算
元素类型要与字节码指令序列严格匹配

3. 动态连接

方法区常量池中的方法引用，在运行期间转为直接引用
- 句柄法
- 直接指针法

4. 方法返回地址

异常时返回地址（正常退出可以使用PC作为返回
保存在异常快照中，故抛出异常会有较大的开销

方法调用：确定被调用方法的版本

①解析

所有方法调用中的目标方法在class文件里面都是常量池中的符号引用
静态解析：在类加载的解析阶段，将符号引用替换为直接引用

②分派

静态分派—–重载

（引用类型）Human man = new Man()（内存类型）;
Human为静态类型（编译器可知），重载时，根据静态类型进行分派

动态分派—–重写

Man为实际类型（运行期确定）

建立了实际类型的内存空间
在操作数栈顶的第一个元素的实际类型
根据实际类型进行方法调用

动态类型语言：类型检查在运行期（变量本身没有类型，变量的值才有类型）

静态类型语言：类型检查在编译器（生成符号引用，保存到class中）

字节码解释执行引擎

源码–>词法分析–>抽象语法树–>指令流–>解释器–>解释执行

4. Tomcat类加载器架构

①②③默认合并为/lib目录

类加载模型（双亲委派模型）

在Tomcat中，common类加载器将会加载/lib目录下的jar包，被所有web应用公用，而每个web应用的类加载器都是相互隔离的，故而每个web应用都有独立的命名空间。

JVM之类加载机制