前言

1. class文件與dex文件解析

在學(xué)習(xí)java虛擬機(jī)之前，我們有必要先來了解下下class文件與dex文件。相比大家對這兩文件都耳熟能詳，但是對于初學(xué)者來說卻是"聽起聲而不見其人"。下面我們就來了解下。首先我們先來對他們有個(gè)總體的概念：

• class文件：能夠被JVM識(shí)別，加載并執(zhí)行的文件格式。
• dex文件 ：能夠被DVM(Dalvik-Android平臺(tái)虛擬機(jī))識(shí)別，加載并執(zhí)行的文件格式。

這就是兩者大致的作用與概念。下面我們來分別了解下。

1.1 class文件

• class文件的概括
  對于class文件的概念，上面我們提到了，他就是一種文件格式。是一種能被Java虛擬機(jī)識(shí)別的文件格式，所以在了解虛擬機(jī)之前有必要先了解下class文件。Java程序的執(zhí)行依賴于編譯環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境，下面我們用一張圖來了解下流程的完成。

圖片.png

• 生成class文件
  相信在學(xué)習(xí)java的時(shí)候老師都是要求我們用記事本來編寫java代碼，然后用命令生成.class文件，然后我們就可以用java命令去執(zhí)行我們別寫的代碼了。其實(shí)這個(gè)過程就對應(yīng)了我們上面的流程圖過程。不過對于生成.class文件的方式有很多。常見有如下：

1. 通過IDE自動(dòng)幫我們build(我們現(xiàn)實(shí)中使用的方法)
2. 利用命令生成

為了更好的理解與回顧基礎(chǔ)，我們在走一遍2.這個(gè)流程。

1. 編寫java文件：
   Hellow.java:

public class Hellow {

public static void main(String args[]){

System.out.println("Hellow Android!\n");

   }
}

2. 這段代碼非常簡單。下面我們通過命令javac語言編譯器：

javac Hellow.java 

通過在命令行輸入這段命令。我們就可以生成Hellow.class文件。這時(shí)我們就可以通過java命令：

java Hellow

后接我們的類名來運(yùn)行這個(gè).class文件來執(zhí)行我們的代碼。最后輸出入下：

圖片.png

• class文件結(jié)構(gòu)
  在明白了什么是class文件之后我們就來class文件的格式與結(jié)構(gòu)。
  首先我們要知道一個(gè)class文件它的作用，即：記錄一個(gè)類文件的所有信息，記住是所有，他與源文件相比更復(fù)雜。下面我們來具體看下他的結(jié)構(gòu)：

1. 一種8位二進(jìn)制的一種流文件
2. 各個(gè)數(shù)據(jù)按順序緊密的排列，無間隙(好處是減小文件體積，使JVM讀取更迅速)
3. 每個(gè)類和接口都單獨(dú)占用一個(gè)class文件(方便管理自己)

下面我們就來了解下class文件結(jié)構(gòu)類型：

clipboard.png

• CONSTATN_Integer_info

• CONSTATN_String_info

• CONSTATN_Long_info
  .
  .
  .
  等等
  復(fù)雜類型：

• CONSTATN_Class_info(記錄class信息)

• CONSTATN_Fildref_info(記錄所有成員變量)

• CONSTATN_Methodref_info(記錄所有方法信息)
  .
  .
  .
  等等
  最后這些復(fù)雜類型都會(huì)包含簡單類型。最后指向(通過下標(biāo)索引指向)具體的常量池常量。這是.class文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)具體是不是這樣的我們通過010Editor軟件查看如下：
  

  圖片.png
  
  此圖為打開二進(jìn)制.class文件的結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以看到，一個(gè).class文件正是包含上面我們所列舉出來的類型。其中常量池(constant_pool)所占最多，而他的類型(Comment)可以看到正是我們列舉出來的。我們打開看下：
  
  圖片.png
  
  我們以cp_info(結(jié)構(gòu)體類型) constant_pool(常量池)為例。 它里面分別包含tag(標(biāo)記) class_index(表明方法所屬那個(gè)類) name_and_type_index(方法名與類型) 最后根據(jù)索引可以找到他具體的內(nèi)容。這里我們只需大概有個(gè)了解，更詳細(xì)講解查考Class文件內(nèi)容解析

• class文件弊端
  對于class文件結(jié)構(gòu)大家可能云里霧里。不過大家只需了解就好，待以后深入了解后再慢慢理解。那么他有什么弊端呢？如下：

1. 內(nèi)存占用大，不適合移動(dòng)端
2. 堆棧的加棧模式，加載速度慢
3. 文件IO操作多，類查找慢
   基于class文件的這些缺點(diǎn)，在移動(dòng)端就尤為明顯。以為我們的移動(dòng)設(shè)備最寶貴的就是內(nèi)存，因此dex由此誕生，下面我們來理解下dex文件

1.2 dex文件

基于class的缺點(diǎn)，在Android平臺(tái)移動(dòng)設(shè)備上我們運(yùn)行在Dalvik即為dex文件。他的作用為記錄整個(gè)工程所有類文件的的信息。記住是整個(gè)工程。下面我們簡單了解下如何生成 ：

圖片.png

1. 一種8位二進(jìn)制的一種流文件
2. 各個(gè)數(shù)據(jù)按順序緊密的排列，無間隙
3. 整個(gè)應(yīng)用中的所有java源文件都放在一個(gè)dex中

可以看到他與class文件只有最后一點(diǎn)不同。 下面我們來具體看下。

dex文件結(jié)構(gòu)：

圖片.png

dex文件頭：

圖片.png

索引區(qū)：

圖片.png

1.3 兩者的異同

1. 本質(zhì)上他們都是一樣的。dex是從class文件演變而來的
2. class文件存在許多冗余信息，dex會(huì)取出冗余，并整合。
   針對第2點(diǎn)。我們可以從這幾方面理解。首先，class文件時(shí)一個(gè)類或者接口為一個(gè)class文件而dex是所有文件合并成一個(gè)dex文件，比我們從圖中的結(jié)構(gòu)，也看直觀的看到dex文件要比class文件更簡潔，所以當(dāng)類越來越多則class文件也會(huì)越來越多，而dex文件會(huì)將多個(gè)class文件整合到一個(gè)dex文件。如下圖：
   
   圖片.png
   
   在class文件越來越多的時(shí)候 dex文件的3大區(qū)都不會(huì)增加。而.class文件會(huì)隨著文件增多，每個(gè)文件的結(jié)構(gòu)又獨(dú)立，所以一定會(huì)產(chǎn)生很多冗余重復(fù)數(shù)據(jù)。

3. Java虛擬機(jī)

理解JVM我們先來看下他的結(jié)構(gòu)：

圖片.png

詳細(xì)結(jié)構(gòu)：

圖片.png

從圖中可以分為三部分。第一部分類加載器子系統(tǒng)將class文件進(jìn)行加載，第二部分類加載器將加載后class字節(jié)碼數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存空間，JVM將內(nèi)存空間分成5部分，同時(shí)我們的垃圾回收機(jī)制(gc)也是回收這部分的內(nèi)存占用。第三部分比較底層,是與一些系統(tǒng)CPU交互等。所以第三部分我們占不做分析。

3.1 將.class文件載入類加載器

這部分主要就是講.java源文件轉(zhuǎn)化為.class字節(jié)碼文件。如何生成前面已經(jīng)提過。具體細(xì)節(jié)如下：

clipboard.png

這些生成都是javac來完成的 javac就是java編譯器

3.2 類加載器

3.1.2 類加載器有哪些

類加載指將類的字節(jié)碼文件（.class）中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆上創(chuàng)建java.lang.Class對象，封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類裝載器子系統(tǒng)負(fù)責(zé)查找并裝載類型信息。其實(shí)Java虛擬機(jī)有兩種類裝載器：系統(tǒng)裝載器(前兩個(gè))和用戶自定義裝載器(后兩個(gè))。前者是Java虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的一部分，后者則是Java程序的一部分。

clipboard.png

1. 啟動(dòng)類加載器（BootstrapClassLoader）：在JVM運(yùn)行時(shí)被創(chuàng)建，負(fù)責(zé)加載存放在JDK安裝目錄下的jre\lib的類文件
2. 擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader）：該類加載器負(fù)責(zé)加載JDK安裝目錄下的\jre\lib\ext的類
3. 應(yīng)用程序類加載器（AppClassLoader）：負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（Classpath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有定義過自己的類加載器，該類加載器為默認(rèn)的類加載器。
4. 用戶自定義類加載器（User ClassLoader）：開發(fā)人員通過拓展ClassLoader類定義的自定義加載器，加載程序員定義的一些類。

類加載指將類的字節(jié)碼文件（.class）中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆上創(chuàng)建java.lang.Class對象，封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。和其它對象一樣，用戶自定義的類裝載器以及Class類的實(shí)例放在內(nèi)存中的堆區(qū)，而裝載的類型信息則位于方法區(qū)。

• 委派模式（Delegation Mode）
  它是JVM加載類的模式(向上查找，向下加載)。當(dāng)JVM加載一個(gè)類的時(shí)候，下層的加載器會(huì)將將任務(wù)委托給上一層類加載器，上一層加載檢查它的命名空間中是否已經(jīng)加載這個(gè)類，如果已經(jīng)加載，直接使用這個(gè)類。如果沒有加載，繼續(xù)往上委托直到頂部。檢查完了之后，按照相反的順序進(jìn)行加載，如果Bootstrap加載器找不到這個(gè)類，則往下委托，直到找到類文件。對于某個(gè)特定的類加載器來說，一個(gè)Java類只能被載入一次，也就是說在Java虛擬機(jī)中，類的完整標(biāo)識(shí)是（classLoader，package，className）。一個(gè)類可以被不同的類加載器加載。
  如果我們將這個(gè)類放到JAVA_HOME/jre/lib/ext這個(gè)路徑中去（相當(dāng)于交給Extension加載器加載），按照同樣的規(guī)則，最后由Extension加載器加載MyClass類。此類一共加載2次。但是每次都是由不同的ClassLoader完成。

總結(jié)： 1和2加載器是加載加載jdk相關(guān)的class文件。3是加載應(yīng)用用到的class文件，4是我們自定義類加載器，可以加載指定的class文件。

3.1.3 加載流程

類加載器除了要定位和導(dǎo)入二進(jìn)制class文件外，還必須負(fù)責(zé)驗(yàn)證被導(dǎo)入類的正確性，為類變量分配并初始化內(nèi)存，以及解析符號引用。這些動(dòng)作還需要按照以下順序進(jìn)行：

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3.2 運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)(也就是內(nèi)存管理)

這部分是整合JVM的核心，也是GC垃圾回收的的主要部分，所以單獨(dú)在下一篇講解。

3.3 執(zhí)行引擎

類加載器將字節(jié)碼載入內(nèi)存之后，執(zhí)行引擎以Java字節(jié)碼指令為單元，讀取Java字節(jié)碼。問題是，現(xiàn)在的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(tái)相關(guān)的機(jī)器碼。這個(gè)過程可以由解釋器來執(zhí)行，也可以有即時(shí)編譯器（JIT Compiler）來完成。

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