一、類載入器
首先來看一下java程序的運(yùn)行過程。
從這個框圖非常easy大體上了解java程序工作原理。首先，你寫好java代碼，保存到硬盤其中。然后你在命令行中輸入
javac YourClassName.java此時，你的java代碼就被編譯成字節(jié)碼（.class).假設(shè)你是在Eclipse IDE或者其它開發(fā)工具中，你保存代碼的時候，開發(fā)工具已經(jīng)幫你完畢了上述的編譯工作，因此你能夠在相應(yīng)的文件夾下看到class文件。此時的class文件依舊是保存在硬盤中，因此，當(dāng)你在命令行中執(zhí)行
java YourClassName就完畢了上面紅色方框中的工作。JRE的來載入器從硬盤中讀取class文件，載入到系統(tǒng)分配給JVM的內(nèi)存區(qū)域--運(yùn)行數(shù)據(jù)區(qū)（Runtime Data Areas). 然后運(yùn)行引擎解釋或者編譯類文件，轉(zhuǎn)化成特定CPU的機(jī)器碼，CPU運(yùn)行機(jī)器碼，至此完畢整個過程。
接下來就重點(diǎn)研究一下類載入器到底為何物？又是怎樣工作的？
首先看一下來載入器的一些特點(diǎn)，有點(diǎn)抽象，只是總有幫助的。
》》層級結(jié)構(gòu)
類載入器被組織成一種層級結(jié)構(gòu)關(guān)系，也就是父子關(guān)系。當(dāng)中，Bootstrap是全部類載入器的父親。例如以下圖所看到的：
--Bootstrap class loader：
當(dāng)執(zhí)行java虛擬機(jī)時，這個類載入器被創(chuàng)建，它載入一些主要的java API，包含Object這個類。須要注意的是，這個類載入器不是用java語言寫的，而是用C/C++寫的。
--Extension class loader:
這個載入器載入出了基本API之外的一些拓展類，包含一些與安全性能相關(guān)的類。（眼下了解得不是非常深，僅僅能籠統(tǒng)說，待日后再具體說明）
--System Class Loader:
它載入應(yīng)用程序中的類，也就是在你的classpath中配置的類。
--User-Defined Class Loader:
這是開發(fā)者通過拓展ClassLoader類定義的自己定義載入器，載入程序猿定義的一些類。
》》委派模式（Delegation Mode）
細(xì)致看上面的層次結(jié)構(gòu)，當(dāng)JVM載入一個類的時候，下層的載入器會將將任務(wù)托付給上一層類載入器，上一層載入檢查它的命名空間中是否已經(jīng)載入這個類，假設(shè)已經(jīng)載入，直接使用這個類。假設(shè)沒有載入，繼續(xù)往上托付直到頂部。檢查完了之后，依照相反的順序進(jìn)行載入，假設(shè)Bootstrap載入器找不到這個類，則往下托付，直到找到類文件。對于某個特定的類載入器來說，一個Java類僅僅能被載入一次，也就是說在Java虛擬機(jī)中，類的完整標(biāo)識是（classLoader，package，className）。一個雷能夠被不同的類載入器載入。
舉個詳細(xì)的樣例來說明，如今添?我有一個自定義的類MyClass須要載入，假設(shè)不指定的話，一般交App（System）載入。接到任務(wù)后，System檢查自己的庫里是否已經(jīng)有這個類，發(fā)現(xiàn)沒有之后托付給Extension，Extension進(jìn)行相同的檢查，發(fā)現(xiàn)還是沒有繼續(xù)往上托付，最頂層的Boots發(fā)現(xiàn)自己庫里也沒有，于是依據(jù)它的路徑（Java 核心類庫，如java.lang）嘗試去載入，沒找到這個MaClass類，于是僅僅好（人家看好你，交給你完畢，你無能為力，僅僅好交給別人啦）往下托付給Extension，Extension到自己的路徑（JAVA_HOME/jre/lib/ext)是找，還是沒找到，繼續(xù)往下，此時System載入器到classpath路徑尋找，找到了，于是載入到Java虛擬機(jī)。
如今如果我們將這個類放到JAVA_HOME/jre/lib/ext這個路徑中去（相當(dāng)于交給Extension載入器載入），依照相同的規(guī)則，最后由Extension載入器載入MyClass類，看到了吧，統(tǒng)一各類被兩次載入到JVM，可是每次都是由不同的ClassLoader完畢。
》》可見性限制
下層的載入器可以看到上層載入器中的類，反之則不行，也就是是說托付僅僅能從下到上。
》》不同意卸載類
類載入器能夠載入一個類，可是它不能卸載一個類?？墒穷愝d入器能夠被刪除或者被創(chuàng)建。
當(dāng)類載入完畢之后，JVM繼續(xù)依照下圖完畢其它工作：
框圖中各個步驟簡介例如以下：
Loading：文章前面介紹的類載入，將文件系統(tǒng)中的Class文件載入到JVM內(nèi)存（執(zhí)行數(shù)據(jù)區(qū)域）
Verifying：檢查加載的類文件是否符合Java規(guī)范和虛擬機(jī)規(guī)范。
Preparing：為這個類分配所須要的內(nèi)存，確定這個類的屬性、方法等所需的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。（Prepare a data structure that assigns the memory required by classes and indicates the fields, methods, and interfaces defined in the class.）
Resolving：將該類常量池中的符號引用都改變?yōu)橹苯右?。（不是非常理解?/p>
Initialing：初始化類的局部變量，為靜態(tài)域賦值，同一時候運(yùn)行靜態(tài)初始化塊。
那么，Class Loader在載入類的時候，到底做了些什么工作呢？
要了解這當(dāng)中的細(xì)節(jié)，必須得先具體介紹一下執(zhí)行數(shù)據(jù)區(qū)域。
二、執(zhí)行數(shù)據(jù)區(qū)域
Runtime Data Areas：當(dāng)執(zhí)行一個JVM演示樣例時，系統(tǒng)將分配給它一塊內(nèi)存區(qū)域（這塊內(nèi)存區(qū)域的大小能夠設(shè)置的），這一內(nèi)存區(qū)域由JVM自己來管理。從這一塊內(nèi)存中分出一塊用來存儲一些執(zhí)行數(shù)據(jù)，比如創(chuàng)建的對象，傳遞給方法的參數(shù)，局部變量，返回值等等。分出來的這一塊就稱為執(zhí)行數(shù)據(jù)區(qū)域。執(zhí)行數(shù)據(jù)區(qū)域能夠劃分為6大塊：Java棧、程序計(jì)數(shù)寄存器（PC寄存器）、本地方法棧（Native Method Stack）、Java堆、方法區(qū)域、執(zhí)行常量池（Runtime Constant Pool）。執(zhí)行常量池本應(yīng)該屬于方法區(qū)，可是因?yàn)槠渲匾?，JVM規(guī)范將其獨(dú)立出來說明。當(dāng)中，前面3各區(qū)域（PC寄存器、Java棧、本地方法棧）是每一個線程獨(dú)自擁有的，后三者則是整個JVM實(shí)例中的全部線程共同擁有的。這六大塊例如以下圖所看到的：
》PC計(jì)數(shù)器：
每個線程都擁有一個PC計(jì)數(shù)器，當(dāng)線程啟動（start）時，PC計(jì)數(shù)器被創(chuàng)建，這個計(jì)數(shù)器存放當(dāng)前正在被運(yùn)行的字節(jié)碼指令（JVM指令）的地址。
》Java棧：
相同的，Java棧也是每一個線程單獨(dú)擁有，線程啟動時創(chuàng)建。這個棧中存放著一系列的棧幀（Stack Frame），JVM僅僅能進(jìn)行壓入（Push）和彈出（Pop）棧幀這兩種操作。每當(dāng)調(diào)用一個方法時，JVM就往棧里壓入一個棧幀，方法結(jié)束返回時彈出棧幀。假設(shè)方法運(yùn)行時出現(xiàn)異常，能夠調(diào)用printStackTrace等方法來查看棧的情況。棧的示意圖例如以下：
OK。如今我們再來具體看看每個棧幀中都放著什么東西。從示意圖非常easy看出，每個棧幀包括三個部分：本地變量數(shù)組，操作數(shù)棧，方法所屬類的常量池引用。
》局部（本地）變量數(shù)組：
局部（本地）變量數(shù)組中，從0開始按順序存放方法所屬對象的引用、傳遞給方法的參數(shù)、局部變量。舉個樣例：
- public void doSomething(int a, double b, Object o) {
- ...
- }
- 0: this
- 1: a
- 2,3:b
- 4:0
》操作數(shù)棧：
操作數(shù)棧中存放方法運(yùn)行時的一些中間變量，JVM在運(yùn)行方法時壓入或者彈出這些變量。事實(shí)上，操作數(shù)棧是方法真正工作的地方，運(yùn)行方法時，局部變量數(shù)組與操作數(shù)棧依據(jù)方法定義進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。比如，運(yùn)行下面代碼時，操作數(shù)棧的情況例如以下：
- int a = 90;
- int b = 10;
- int c = a + b;
注意在這個圖中，操作數(shù)棧的地步是在上邊，所以先壓入的100位于上方。能夠看出，操作數(shù)棧事實(shí)上是一個數(shù)據(jù)暫時存儲區(qū)，存放一些中間變量，方法結(jié)束了，操作數(shù)棧也就沒有啦。
》棧幀中數(shù)據(jù)引用：
除了局部變量數(shù)組和操作數(shù)棧之外，棧幀還須要一個常量池的引用。當(dāng)JVM運(yùn)行到須要常量池的數(shù)據(jù)時，就是通過這個引用來訪問常量池的。棧幀中的數(shù)據(jù)還要負(fù)責(zé)處理方法的返回和異常。假設(shè)通過return返回，則將該方法的棧幀從Java棧中彈出。假設(shè)方法有返回值，則將返回值壓入到調(diào)用該方法的方法的操作數(shù)棧中。另外，數(shù)據(jù)區(qū)中還保存中該方法可能的異常表的引用。以下的樣例用來說明：
- class Example3C{
- public static void addAndPrint(){
- double result = addTwoTypes(1,88.88);
- System.out.println(result);
- }
- public static double addTwoTypes(int i, double d){
- return i+d;
- }
- }
花些時間好好研究上圖。一樣須要注意的是，棧的底部在上方，先押人員addAndPrint方法的棧幀，再壓入addTwoTypes方法的棧幀。上圖最右邊的文字說明有錯誤，應(yīng)該是addTwoTypes的運(yùn)行結(jié)果存放在addAndPrint的操作數(shù)棧中。
》》本地方法棧
當(dāng)程序通過JNI（Java Native Interface）調(diào)用本地方法（如C或者C++代碼）時，就依據(jù)本地方法的語言類型建立對應(yīng)的棧。
》》方法區(qū)域
方法區(qū)域是一個JVM實(shí)例中的全部線程共享的，當(dāng)啟動一個JVM實(shí)例時，方法區(qū)域被創(chuàng)建。它用于存執(zhí)行放常量池、有關(guān)域和方法的信息、靜態(tài)變量、類和方法的字節(jié)碼。不同的JVM實(shí)現(xiàn)方式在實(shí)現(xiàn)方法區(qū)域的時候會有所差別。Oracle的HotSpot稱之為永久區(qū)域（Permanent Area）或者永久代（Permanent Generation）。
》》執(zhí)行常量池
這個區(qū)域存放類和接口的常量，除此之外，它還存放方法和域的全部引用。當(dāng)一個方法或者域被引用的時候，JVM就通過執(zhí)行常量池中的這些引用來查找方法和域在內(nèi)存中的的實(shí)際地址。
》》堆（Heap）
堆中存放的是程序創(chuàng)建的對象或者實(shí)例。這個區(qū)域?qū)VM的性能影響非常大。垃圾回收機(jī)制處理的正是這一塊內(nèi)存區(qū)域。
所以，類載入器載入事實(shí)上就是依據(jù)編譯后的Class文件，將java字節(jié)碼載入JVM內(nèi)存，并完畢對運(yùn)行數(shù)據(jù)處于的初始化工作，供運(yùn)行引擎運(yùn)行。
三、 運(yùn)行引擎（Execution Engine）
類載入器將字節(jié)碼載入內(nèi)存之后，運(yùn)行引擎以Java 字節(jié)碼指令為但愿，讀取Java字節(jié)碼。問題是，如今的java字節(jié)碼機(jī)器是讀不懂的，因此還必須想辦法將字節(jié)碼轉(zhuǎn)化成平臺相關(guān)的機(jī)器碼。這個過程能夠由解釋器來運(yùn)行，也能夠有即時編譯器（JIT Compiler）來完畢。
