前言

Java 語言是一門面向?qū)ο蟮恼Z言（Java 類型一切皆對象，基本類型除外），我們使用 Java 語言進(jìn)行程序編寫，都是以類的形式進(jìn)行組織。各種各樣的職能類與工具類配以恰當(dāng)?shù)臉I(yè)務(wù)邏輯構(gòu)成了一個(gè)個(gè)功能豐富多彩的應(yīng)用。

可以認(rèn)為，使用 Java 語言編寫的程序最主要的就是各種類的加載使用。因此，了解 Java 類的加載使用過程，會讓我們可以更加高效編寫出正確，高效的代碼。

因此，本篇博文主要對 Java 類加載及其對象創(chuàng)建的整個(gè)過程做一個(gè)相對完整的講解。

Java 類加載及其對象創(chuàng)建過程

熟悉 Java 的人都知道，Java 語言是一門基于 JVM 的平臺無關(guān)的編程語言。使用 Java 編寫的語言最終會經(jīng)過編譯器（即 javac）的編譯后，生成 Class 字節(jié)碼文件。最終由 JVM 將該 Class 文件加載進(jìn)內(nèi)存中，創(chuàng)建出一個(gè)對應(yīng)的 Class 對象；然后由該 Class 對象，就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)例的創(chuàng)建。

因此，類的加載與對象創(chuàng)建具體涉及到如下三個(gè)過程：

1. Java 源碼編譯生成 Class 文件
2. JVM 加載 Class 文件到內(nèi)存，生成 Class 對象
3. 創(chuàng)建類實(shí)例

下面依次對上述 3 個(gè)過程進(jìn)行分析

Java 源碼編譯生成 Class 文件

先簡單介紹下 Class 文件：Class 文件是一組以 8 bit（即 1 字節(jié)）為基礎(chǔ)單位的二進(jìn)制流，其內(nèi)的各個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)都具備一定的描述信息（具體信息參考 Java 虛擬機(jī)字節(jié)碼規(guī)范），排列緊湊且無多余內(nèi)容。

Class 文件存儲了 Java 語言定義的類的全部信息，包括類名，類屬性和類方法····其具備強(qiáng)大的信息描述能力，而 Class 文件內(nèi)部結(jié)構(gòu)其實(shí)只有兩種數(shù)據(jù)類型：無符號數(shù) 和 表。

• 無符號數(shù)：屬于字節(jié)碼的基本數(shù)據(jù)類型。以 u1，u2，u4，u8 分別代表 1個(gè)字節(jié)，2個(gè)字節(jié)，4個(gè)字節(jié)和8個(gè)字節(jié)的無符號數(shù)。無符號數(shù)可以用來描述數(shù)字，索引引用，數(shù)量值或者按照 UTF-8 編碼構(gòu)成的字符串值。

• 表：有多個(gè)無符號數(shù)或者其他表作為數(shù)據(jù)項(xiàng)構(gòu)成的復(fù)合數(shù)據(jù)類型。一個(gè)類擁有多種結(jié)構(gòu)，比如繼承信息，字段，方法等等，這些結(jié)構(gòu)在 Class 文件中都以表的形式進(jìn)行存儲（不同的結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的表，每個(gè)表都有自己定義的格式）。所有表都習(xí)慣地以 "_info" 結(jié)尾。整個(gè) Class 文件本質(zhì)上就是一張表。其格式如下所示：

從上述 Class 文件格式表中可以看到，Class 文件其實(shí)就是依次存儲了以下內(nèi)容（對 cp_info，field_info，method_info 和 attribute_info 這些表的具體格式就不展開講解了）：

• 魔數(shù)（magic）：用于驗(yàn)證是否是 Class 文件，其固定值為：0xCAFEBABE

• 次版本號（minor_version）：Class 文件次版本號

• 主版本號（major_version）：Class 文件主版本號

• 常量池（constant_pool）：常量池主要存放兩大類常量：字面量（Literal） 和 符號引用（Symbolic References）。
  字面量 比較接近于 Java 語言層面的常量概念，如字符串，聲明為 final 的常量值等等。
  符號引用 主要包含三類常量：類和接口的全限定名，字段的名稱和描述符，方法的名稱和描述符。

• 訪問標(biāo)志（access_flag）：用于識別類或接口層次的訪問信息，包括：該 Class 是類還是接口；是否定義為 public 類型；是否定義為 abstract 類型；如果是類的話，是否被聲明為 final 等。

• 類索引（this_class）：用于確定類的全限定名

• 父類索引（super_class）：用于確定父類的全限定名

• 接口索引集合（interfaces）：用于描述這個(gè)類實(shí)現(xiàn)的接口集合

• 字段表（fields）：用于描述接口或者類中聲明的變量。字符包括類級變量（即 static 變量）和實(shí)例級變量

• 方法表（methods）：用于描述接口或者類中聲明的方法。方法中的 Java 代碼（方法塊）經(jīng)過編譯器翻譯成字節(jié)碼后，存放在方法屬性表集合中的一個(gè)名為 Code 的屬性里面

• 屬性表（attributes）：在 Class 文件中，字段表，方法表都可以攜帶自己的屬性表集合，以用于描述某些場景專有的信息

Java 虛擬機(jī)不予任何語言相關(guān)聯(lián)，包括 Java，它只與 Class 文件有聯(lián)系。當(dāng) Java 源碼被編譯成 Class 文件后，Java 源碼定義的類信息就被完整地存儲到 Class 文件中了。

到此，Java 源碼經(jīng)由編譯器就會編譯成 Class 字節(jié)碼文件了。

此時(shí)，就可以進(jìn)入到下一步：JVM 加載 Class 文件到內(nèi)存

JVM 加載 Class 文件到內(nèi)存，生成 Class 對象

當(dāng)我們 new 一個(gè)對象或者調(diào)用了類的靜態(tài)字段/靜態(tài)方法時(shí)，就會觸發(fā)類的加載。

在類加載之前，JVM 進(jìn)程肯定是要先啟動，后續(xù)才能進(jìn)行類的加載過程。

JVM 啟動時(shí)，會把其管理執(zhí)行 Java 程序的內(nèi)存劃分為若干個(gè)不同的數(shù)據(jù)區(qū)域，稱為 虛擬機(jī)運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)域 或 JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)。具體的區(qū)域如下：

• 程序計(jì)數(shù)器：一塊較小的內(nèi)存，指向當(dāng)前線程運(yùn)行的字節(jié)碼指令地址。

• 虛擬機(jī)棧：描述線程執(zhí)行 Java 方法的內(nèi)存模型：每個(gè)方法在執(zhí)行時(shí)，會創(chuàng)建一個(gè) 棧幀 壓入到線程虛擬機(jī)棧中，棧幀 用于存儲局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)鏈接，方法出口等信息。每個(gè)方法的調(diào)用和執(zhí)行完成都對應(yīng)著一個(gè)棧幀的入棧和出棧過程。Java 虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎是基于棧結(jié)構(gòu)的，此處的棧指的就是該虛擬機(jī)棧（更確切說應(yīng)當(dāng)是：操作數(shù)棧）。

• 本地方法棧：本地方法棧 與 虛擬機(jī)棧 的作用相似，區(qū)別在于 虛擬機(jī)棧 用于執(zhí)行 Java 方法，而 本地方法棧 用于執(zhí)行 Native 方法。當(dāng)執(zhí)行 Native 方法時(shí)，程序計(jì)數(shù)器 的值為空（Undefined）。

• Java 堆：用于存放幾乎所有的對象實(shí)例和數(shù)組實(shí)例。該區(qū)域是 JVM 所管理的內(nèi)存中最大的一塊，也是垃圾收集器主要進(jìn)行的區(qū)域。

• 方法區(qū)：用于存儲已被虛擬機(jī)加載的類信息，常量（final），靜態(tài)變量（static）和即時(shí)編譯器編譯后的代碼等數(shù)據(jù)。該區(qū)域的垃圾回收主要針對的是常量池中的廢棄常量和無用的類（該區(qū)域的垃圾回收效率較低，因此甚至可以不對該區(qū)域進(jìn)行垃圾回收處理）。在 HotSpot 虛擬機(jī)中，該區(qū)域也稱為 永久代。

JVM 內(nèi)存結(jié)構(gòu)圖如下所示：

運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)

當(dāng) JVM 內(nèi)存區(qū)域分配完成后，就可以進(jìn)行類的加載。

類的加載過程主要涉及 3 個(gè)階段操作：加載階段，連接階段 和 初始化階段。
其中，連接階段 又可以分為 3 個(gè)過程：驗(yàn)證，準(zhǔn)備 和 解析。
如下圖所示：

類的生命周期

下面依次對上述類加載過程進(jìn)行簡單講解：

• 加載：在加載階段，虛擬機(jī)主要完成以下 3 件事情：
  1）通過類的全限定名找到該類的字節(jié)碼文件流。這部分功能有 類加載器 進(jìn)行加載，對于 Java 開發(fā)人員來說，Java 虛擬機(jī)類加載器可分為 4 種類型：啟動類加載器（Bootstrap ClassLoader），擴(kuò)展類加載器（Extension ClassLoader），應(yīng)用程序類加載器（Application ClassLoader） 和 自定義類加載器（User ClassLoader）。其中，應(yīng)用程序類加載器 也被稱為 系統(tǒng)類加載器，如果程序沒有自定義類加載器，那么一般情況下使用的就是 應(yīng)用程序類加載器。要判斷一個(gè)類（對象）是否為同一個(gè)類，必須滿足兩個(gè)條件：由同一個(gè)類加載器加載 與 同一個(gè)類文件（即字節(jié)碼相同）。因此，為了防止 Java 程序出現(xiàn)類混亂，Java 虛擬機(jī)采用的默認(rèn)類加載機(jī)制為：雙親委派模型，簡而言之，雙親委派模型 就是說將類加載請求先交由父類加載器進(jìn)行加載，父類加載器無法加載時(shí)，才由子類加載器進(jìn)行加載。這樣就保證了 Java 程序中類對象的一致性。
  2） 將該類字節(jié)流所代表的的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
  3）在內(nèi)存中（沒有具體規(guī)定一定在堆中分配，對于 HotSpot 虛擬機(jī)而言，Class 對象在方法區(qū)中分配）生成一個(gè)代表該類的 java.lang.Class 對象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

• 驗(yàn)證：驗(yàn)證是連接階段的第一步，該過程主要是為了確保 Class 文件的字節(jié)流正確且安全。其主要會完成下面 4 個(gè)階段的檢驗(yàn)動作：
  1）文件格式驗(yàn)證：主要驗(yàn)證字節(jié)流是否符合 Class 文件格式規(guī)范，并且能被當(dāng)前版本的虛擬機(jī)處理。該階段驗(yàn)證通過后，就會將字節(jié)流轉(zhuǎn)化為方法區(qū)中的對應(yīng)類的存儲結(jié)構(gòu)（該操作其實(shí)就是 加載 階段要完成的第 2 件事，因此，加載 階段 和 連接 階段啟動有先后順序，但存在交叉執(zhí)行），后續(xù) 3 個(gè)驗(yàn)證階段全部是基于方法區(qū)的存儲結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，不會再直接操作字節(jié)流。
  2）元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：主要驗(yàn)證 Class 文件字節(jié)流是否符合 Java 語言規(guī)范。
  3）字節(jié)碼驗(yàn)證：主要是對類的方法體進(jìn)行校驗(yàn)分析，確保方法在運(yùn)行時(shí)不會做出危害虛擬機(jī)安全的事件。
  4）符號引用驗(yàn)證：該階段其實(shí)是發(fā)生在鏈接的第三階段--解析 階段發(fā)生的，主要就是對方法區(qū)常量池符號引用的校驗(yàn)。

• 準(zhǔn)備：準(zhǔn)備階段是為類變量（即 static 變量）分配內(nèi)存并進(jìn)行默認(rèn)初始化（賦予默認(rèn)零值）過程。

• 解析：解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程（即將符號引用替換為內(nèi)存中已存在的對象）。

• 初始化：類初始化階段是類加載的最后一步，該階段主要做的就是按出現(xiàn)順序依次執(zhí)行類字段的定義初始化和構(gòu)造初始化（靜態(tài)代碼塊）。

到此，方法區(qū)中就已經(jīng)存在一個(gè)完備的 Class 對象了。

現(xiàn)在，我們就可以 new 出一個(gè)實(shí)例對象了。

創(chuàng)建類實(shí)例

當(dāng)我們在代碼用 new 一個(gè)對象時(shí)，這個(gè)操作反映到 Class 文件上其實(shí)就是一個(gè) new 指令，該指令后面會跟隨一個(gè)類的全限定名。JVM 通過在方法區(qū)運(yùn)行時(shí)常量池中，通過該類的全限定名就可以找到對應(yīng)的類信息，然后就可以在堆中分配一塊內(nèi)存，用于創(chuàng)建該類實(shí)例變量，然后依次執(zhí)行實(shí)例的默認(rèn)初始化，定義初始化和構(gòu)造初始化，這樣，類實(shí)例對象就成功創(chuàng)建完成了。

類實(shí)例對象創(chuàng)建完后，就可以使用了。當(dāng)使用結(jié)束時(shí)，JVM 就會在垃圾回收器啟動時(shí)，對其進(jìn)行存活判斷，看是否要回收該對象。

因此，接下來就是垃圾回收過程。

垃圾回收

一個(gè)對象要想讓垃圾收集器進(jìn)行回收，則首先要判斷該對象是否是一個(gè) “無用對象”，即沒有其他實(shí)例引用該對象。

判斷對象是否 “無用” 的方法一般有兩種：引用計(jì)數(shù)法 和 可達(dá)性分析：

• 引用計(jì)數(shù)法：通過給對象添加一個(gè)引用計(jì)數(shù)器，每當(dāng)有一個(gè)地方引用它時(shí)，計(jì)數(shù)器加1；當(dāng)引用失效時(shí)，計(jì)數(shù)器就減1；任何時(shí)候，當(dāng)計(jì)數(shù)器為0時(shí)，表明該對象不可能在被使用，則可進(jìn)行回收。
  引用計(jì)數(shù) 的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，判定效率也很高。但存在一個(gè)問題：很難解決對象之間循環(huán)引用問題，如下圖所示：

有效引用

假設(shè) A 是一個(gè)持久對象（不會被回收），其引用了 B；而 B 引用了 C，C引用了 D，D 由引用了 B。因此，各自對象的引用計(jì)數(shù)器如上圖紅色數(shù)字所示。假設(shè)此時(shí) A 斷開了 B 的引用，如下圖所示：

無效引用

此時(shí)，B，C，D 本來應(yīng)當(dāng)算是無效對象，但由于他們循環(huán)引用，導(dǎo)致各自的計(jì)數(shù)器不為0，因此無法回收。

• 可達(dá)性分析：該算法通過一系列的 GC Roots 的對象作為起點(diǎn)，從這些節(jié)點(diǎn)開始向下搜索，處于 GC Roots 引用鏈上的對象即為存活對象，不可回收；無法達(dá)到 GC Roots 的對象即為不可達(dá)對象，可被回收。
  上圖中以 A 作為 GC Roots，則第二幅圖因?yàn)?B，C，D 均沒有引用鏈可以到達(dá) A，因此，B，C，D 為不可達(dá)對象，可被回收。

Java 使用的判定算法為：可達(dá)性分析法

上面只是對單個(gè)對象的狀態(tài)進(jìn)行分析，而我們知道，當(dāng) GC 時(shí)，處理的對象是一大塊內(nèi)存的所有對象，不同的內(nèi)存中，對象的狀態(tài)（聲明周期）不同，因此，這里就涉及到了垃圾收集算法。

常用的垃圾收集算法有如下 4 種：

• 標(biāo)記-清除算法：見名知意，該算法包含兩個(gè)階段：標(biāo)記 和 清除。標(biāo)記過程主要就是可達(dá)性分析過程，首先找到內(nèi)存中所有不可達(dá)對象位置，然后進(jìn)行清除。
  標(biāo)記-清除算法的好處是簡單直接，缺點(diǎn)是效率不高（標(biāo)記和清除兩個(gè)階段的效率都不高），并且會產(chǎn)生大量不連續(xù)的內(nèi)存碎片。內(nèi)存碎片過多可能會導(dǎo)致無法分配大對象而導(dǎo)致的頻繁的觸發(fā)垃圾收集動作。

• 復(fù)制算法：該算法將內(nèi)存分配為大小相等兩塊，每次只使用其中一塊進(jìn)行分配對象。當(dāng)該塊內(nèi)存用完時(shí)，將該塊內(nèi)存上面還存活的對象復(fù)制到另一塊內(nèi)存上，然后清除該塊內(nèi)存，如此往復(fù)操作。
  復(fù)制算法 的優(yōu)點(diǎn)是不存在內(nèi)存碎片問題，缺點(diǎn)是內(nèi)存利用率不高，每次只能使用一般的內(nèi)存空間。
  實(shí)際使用中， 無需將內(nèi)存對半分割，可以自定義更恰當(dāng)?shù)谋壤M(jìn)行分割。比如，對于 HotSpot 虛擬機(jī)，其將年輕代劃分為 8:1:1 的一個(gè)較大的 Eden 空間和兩個(gè)較小的 Survivor 空間。每次分配對象時(shí)，使用 Eden 空間和其中一塊 Survivor 空間，當(dāng)回收時(shí)，將 Eden 空間和其中那塊 Survivor 空間的存活對象復(fù)制到另一塊 Survivor 空間中，最后清理掉 Eden 空間和那塊 Survivor 空間。當(dāng)復(fù)制對象時(shí)，Survivor 空間如果不夠用，則多余的對象會通過分配擔(dān)保機(jī)制直接進(jìn)入老年代。
  復(fù)制算法 的缺點(diǎn)是當(dāng)對象存活率較高時(shí)，就要進(jìn)行較多的復(fù)制操作，效率會變低。

• 標(biāo)記-整理算法：該算法標(biāo)記過程與 標(biāo)記-清除 算法標(biāo)記過程一致，但標(biāo)記后，不進(jìn)行清除，而是將存活對象都向一端移動，然后直接清理掉端邊界以外的內(nèi)存。
  標(biāo)記-整理算法 的有點(diǎn)是不會產(chǎn)生內(nèi)存碎片。

• 分代收集算法：當(dāng)前商業(yè)虛擬機(jī)的垃圾收集都采用 分代收集。該算法只是根據(jù)對象存活周期的不同將內(nèi)存劃分為幾塊，每塊采用不同的垃圾收集算法。
  比如，對于 Java 堆來說，一般將其分為 新生代 和 老年代。新生代 對象的特點(diǎn)是朝生夕滅，每次垃圾收集時(shí)都有大批對象死去，因此適合采用 復(fù)制算法，每次 GC 時(shí)，只需付出很少的復(fù)制操作即可完成垃圾回收；老年代 因?yàn)閷ο蟮拇婊盥矢撸覜]有額外空間對它進(jìn)行分配擔(dān)保，因此必須使用 標(biāo)記-清理 或 標(biāo)記-整理 算法來進(jìn)行回收。

到此，對于 Java 類從源碼到 JVM 進(jìn)程的加載及其實(shí)例創(chuàng)建使用過程涉及到的一些相關(guān)內(nèi)容，就已分析完畢。

參考

• 《深入理解 Java 虛擬機(jī)》