文章目錄

• 困惑
• 代碼是如何運(yùn)行起來(lái)的（粗流程）
• • 編譯
  • 類裝載子系統(tǒng)
  • 字節(jié)碼執(zhí)行引擎
• 類裝載子系統(tǒng)
• • JVM在什么情況下會(huì)加載一個(gè)類
  • 驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化的過(guò)程
  • • 驗(yàn)證階段
    • 準(zhǔn)備階段
    • 解析階段
  • 核心階段：初始化
  • • 主要職責(zé)
    • 什么時(shí)候會(huì)初始化一個(gè)類？
• 類加載器
• • 啟動(dòng)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
  • 自定義類加載器
• 雙親委派機(jī)制
• 思考

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困惑

目前JVM的書(shū)籍大部分都是站在理論知識(shí)總結(jié)和梳理的角度，構(gòu)建一個(gè)完整的理論知識(shí)體系 ，但是很少會(huì)涉及生產(chǎn)故障的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決方案。

對(duì)JVM生產(chǎn)環(huán)境中的優(yōu)化很少有機(jī)會(huì)去接觸… 突然遇到線上JVM生產(chǎn)事故,依然毫無(wú)頭緒。

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接下來(lái)幾篇文章，主要是高屋建瓴的把JVM運(yùn)行機(jī)制的整體脈絡(luò)梳理清楚。

代碼是如何運(yùn)行起來(lái)的（粗流程）

要研究JVM技術(shù)，先得搞明白一個(gè)問(wèn)題：

我們平時(shí)寫(xiě)的Java代碼，到底是怎么運(yùn)行起來(lái)的？

我們來(lái)一步一步的分析

當(dāng)我們寫(xiě)好這些“.java”后綴的代碼文件之后，接下來(lái)你要部署到線上的機(jī)器上去運(yùn)行，你會(huì)怎么做？

一般來(lái)說(shuō)，都是把代碼給打成“.jar”后綴的jar包，或者是“.war”后綴的war包，是不是？

然后呢，就是把你打包好的jar包或者是war包給放到線上機(jī)器去部署。

部署就有很多種途徑了 : 比如通過(guò)Tomcat這類容器來(lái)部署代碼，或者編寫(xiě)一個(gè)shell 調(diào)用“java”命令來(lái)運(yùn)行一個(gè)jar包中的代碼。

先用下面這張圖，回憶一下這個(gè)順序

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編譯

這里有一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟，那就是“編譯”

也就是說(shuō)，在我們寫(xiě)好的“.java”代碼打包的過(guò)程中，一般就會(huì)把代碼編譯成“.class”后綴的字節(jié)碼文件，比如“User.class”，“Hello.class”，”Customer.class“。

然后這個(gè)“.class”后綴的字節(jié)碼文件，才是可以被運(yùn)行起來(lái)的！

所以首先，先來(lái)回顧一下這個(gè)編譯的過(guò)程，以及“.class”字節(jié)碼文件的概念。

來(lái)看看下圖

接著我們可能就要思考下一個(gè)問(wèn)題：

對(duì)于編譯好的這些“.class”字節(jié)碼，是怎么讓他們運(yùn)行起來(lái)的呢？

這個(gè)時(shí)候就需要使用諸如“java -jar”之類的命令來(lái)運(yùn)行我們寫(xiě)好的代碼了。 實(shí)際上此時(shí)就會(huì)啟動(dòng)一個(gè)JVM進(jìn)程。 這個(gè)JVM就會(huì)來(lái)負(fù)責(zé)運(yùn)行這些“.class”字節(jié)碼文件，也就相當(dāng)于是負(fù)責(zé)運(yùn)行我們寫(xiě)好的系統(tǒng)。

所以平時(shí)我們寫(xiě)好的某個(gè)系統(tǒng)在一臺(tái)機(jī)器上部署的時(shí)候，一旦啟動(dòng)，其實(shí)就是啟動(dòng)了一個(gè)JVM，由它來(lái)負(fù)責(zé)運(yùn)行這臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行的這個(gè)系統(tǒng)。

如下圖

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類裝載子系統(tǒng)

接著下一步，JVM要運(yùn)行這些“.class”字節(jié)碼文件中的代碼，那是不是首先得把這些“.class”文件中包含的各種類給加載進(jìn)來(lái)？

這些“.class”文件不就是我們寫(xiě)好的一個(gè)一個(gè)的類嗎？對(duì)不對(duì)？

此時(shí)就會(huì)有一個(gè)“類加載器”

此時(shí)會(huì)采用類加載器把編譯好的那些“.class”字節(jié)碼文件給加載到JVM中，然后供后續(xù)代碼運(yùn)行來(lái)使用。

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字節(jié)碼執(zhí)行引擎

接著，最后一步，JVM就會(huì)基于自己的字節(jié)碼執(zhí)行引擎，來(lái)執(zhí)行加載到內(nèi)存里的我們寫(xiě)好的那些類了

比如你的代碼中有一個(gè)“main()”方法，那么JVM就會(huì)從這個(gè)“main()”方法開(kāi)始執(zhí)行里面的代碼。

需要哪個(gè)類的時(shí)候，就會(huì)使用類加載器來(lái)加載對(duì)應(yīng)的類，反正對(duì)應(yīng)的類就在“.class”文件中。

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類裝載子系統(tǒng)

類加載過(guò)程非常的瑣碎復(fù)雜，但是對(duì)于平時(shí)從工作中實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，主要是把握他的核心工作原理就可以。

JVM在什么情況下會(huì)加載一個(gè)類

一個(gè)類從加載到使用，一般會(huì)經(jīng)歷下面的這個(gè)過(guò)程：

加載 -> 驗(yàn)證 -> 準(zhǔn)備 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸載

所以首先要搞明白的第一個(gè)問(wèn)題，就是JVM在執(zhí)行我們寫(xiě)好的代碼的過(guò)程中，一般在什么情況下會(huì)去加載一個(gè)類呢？

也就是說(shuō)，啥時(shí)候會(huì)從“.class”字節(jié)碼文件中加載這個(gè)類到JVM內(nèi)存里來(lái)。

在你的代碼中用到這個(gè)類的時(shí)候。

舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，比如下面你有一個(gè)類（Kafka.class），里面有一個(gè)“main()”方法作為主入口。

那么一旦你的JVM進(jìn)程啟動(dòng)之后，它一定會(huì)先把你的這個(gè)類（Kafka.cass）加載到內(nèi)存里，然后從“main()”方法的入口代碼開(kāi)始執(zhí)行。

畫(huà)個(gè)圖，感受下

接著假設(shè)上面的代碼中，出現(xiàn)了如下的這么一行代碼：

這時(shí)可能大家就想了，你的代碼中明顯需要使用“ReplicaManager”這個(gè)類去實(shí)例化一個(gè)對(duì)象，此時(shí)必須得把“ReplicaManager.class”字節(jié)碼文件中的這個(gè)類加載到內(nèi)存里來(lái)啊！是不是？

所以這個(gè)時(shí)候就會(huì)觸發(fā)JVM通過(guò)類加載器，從“ReplicaManager.class”字節(jié)碼文件中加載對(duì)應(yīng)的類到內(nèi)存里來(lái)使用，這樣代碼才能跑起來(lái)。

我們來(lái)看下面的圖：

簡(jiǎn)單概括一下：首先你的代碼中包含“main()”方法的主類一定會(huì)在JVM進(jìn)程啟動(dòng)之后被加載到內(nèi)存，開(kāi)始執(zhí)行你的“main()”方法中的代碼

接著遇到你使用了別的類，比如“ReplicaManager”，此時(shí)就會(huì)從對(duì)應(yīng)的“.class”字節(jié)碼文件加載對(duì)應(yīng)的類到內(nèi)存里來(lái)。

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驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化的過(guò)程

這三個(gè)概念 ，這里的細(xì)節(jié)很多很繁瑣，我們先簡(jiǎn)單了解下

驗(yàn)證階段

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這一步就是根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，來(lái)校驗(yàn)?zāi)慵虞d進(jìn)來(lái)的“.class”文件中的內(nèi)容，是否符合指定的規(guī)范。

這個(gè)相信很好理解，假如說(shuō)，你的“.class”文件被人篡改了，里面的字節(jié)碼壓根兒不符合規(guī)范，那么JVM是沒(méi)法去執(zhí)行這個(gè)字節(jié)碼的！

所以把“.class”加載到內(nèi)存里之后，必須先驗(yàn)證一下，校驗(yàn)他必須完全符合JVM規(guī)范，后續(xù)才能交給JVM來(lái)運(yùn)行。

下面用一張圖，展示了這個(gè)過(guò)程：

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準(zhǔn)備階段

這個(gè)階段其實(shí)也很好理解，咱們都知道，我們寫(xiě)好的那些類，其實(shí)都有一些類變量

比如下面的這個(gè)“ReplicaManager”類：

假設(shè)你有這么一個(gè)“ReplicaManager”類，他的“ReplicaManager.class”文件內(nèi)容剛剛被加載到內(nèi)存之后，會(huì)進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)這個(gè)字節(jié)碼文件的內(nèi)容是規(guī)范的

接著就會(huì)進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

這個(gè)準(zhǔn)備工作，其實(shí)就是給這個(gè)“ReplicaManager”類分配一定的內(nèi)存空間

然后給他里面的類變量（也就是static修飾的變量）分配內(nèi)存空間，來(lái)一個(gè)默認(rèn)的初始值

比如上面的示例里，就會(huì)給“flushInterval”這個(gè)類變量分配內(nèi)容空間，給一個(gè)“0”這個(gè)初始值。

整個(gè)過(guò)程，如下圖所示：

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解析階段

這個(gè)階段干的事兒，實(shí)際上是把符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程，其實(shí)這個(gè)部分的內(nèi)容很復(fù)雜，涉及到JVM的底層, 暫時(shí)不展開(kāi)。

從實(shí)用角度而言，對(duì)很多同學(xué)在工作中實(shí)踐JVM技術(shù)其實(shí)也用不到，所以這里大家就暫時(shí)知道有這么一個(gè)階段就可以了。

如下圖

其實(shí)這三個(gè)階段里，最核心的就是“準(zhǔn)備階段” ，因?yàn)檫@個(gè)階段是給加載進(jìn)來(lái)的類分配好了內(nèi)存空間，類變量也分配好了內(nèi)存空間，并且給了默認(rèn)的初始值，這個(gè)概念，大家心里一定要牢記。

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核心階段：初始化

主要職責(zé)

之前說(shuō)過(guò)，在準(zhǔn)備階段時(shí)，就會(huì)把我們的“ReplicaManager”類給分配好內(nèi)存空間

另外他的一個(gè)類變量“flushInterval”也會(huì)給一個(gè)默認(rèn)的初始值“0”，那么接下來(lái)，在初始化階段，就會(huì)正式執(zhí)行我們的類初始化的代碼了。

那么什么是類初始化的代碼呢？我們來(lái)看看下面這段代碼：

大家可以看到，對(duì)于“flushInterval”這個(gè)類變量，我們是打算通過(guò)Configuration.getInt(“replica.flush.interval”)這段代碼來(lái)獲取一個(gè)值，并且賦值給他的

但是在準(zhǔn)備階段會(huì)執(zhí)行這個(gè)賦值邏輯嗎？

NO！在準(zhǔn)備階段，僅僅是給“flushInterval”類變量開(kāi)辟一個(gè)內(nèi)存空間，然后給個(gè)初始值0 罷了。

那么這段賦值的代碼什么時(shí)候執(zhí)行呢？答案是在初始化 階段來(lái)執(zhí)行。

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在這個(gè)階段，就會(huì)執(zhí)行類的初始化代碼，比如上面的 Configuration.getInt("replica.flush.interval") 代碼就會(huì)在這里執(zhí)行，完成一個(gè)配置項(xiàng)的讀取，然后賦值給這個(gè)類變量“flushInterval”。

另外比如下圖的static靜態(tài)代碼塊，也會(huì)在這個(gè)階段來(lái)執(zhí)行。

類似下面的代碼語(yǔ)義，可以理解為類初始化的時(shí)候，調(diào)用“l(fā)oadReplicaFromDish()”方法從磁盤中加載數(shù)據(jù)副本，并且放在靜態(tài)變量“replicas”中：

那么搞明白了類的初始化是什么，就得來(lái)看看類的初始化的規(guī)則了。

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什么時(shí)候會(huì)初始化一個(gè)類？

一般來(lái)說(shuō)有以下一些時(shí)機(jī)：比如“new ReplicaManager()”來(lái)實(shí)例化類的對(duì)象了，此時(shí)就會(huì)觸發(fā)類的加載到初始化的全過(guò)程，把這個(gè)類準(zhǔn)備好，然后再實(shí)例化一個(gè)對(duì)象出來(lái)；

或者是包含“main()”方法的主類，必須是立馬初始化的。

此外，這里還有一個(gè)非常重要的規(guī)則，就是如果初始化一個(gè)類的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)他的父類還沒(méi)初始化，那么必須先初始化他的父類

如下

如果你要“new ReplicaManager()”初始化這個(gè)類的實(shí)例，那么會(huì)加載這個(gè)類，然后初始化這個(gè)類

但是初始化這個(gè)類之前，發(fā)現(xiàn)AbstractDataManager作為父類還沒(méi)加載和初始化，那么必須先加載這個(gè)父類，并且初始化這個(gè)父類。

這個(gè)規(guī)則，大家必須得牢記，再來(lái)一張圖，借助圖片來(lái)進(jìn)行理解：

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類加載器

現(xiàn)在相信大家都搞明白了整個(gè)類加載從觸發(fā)時(shí)機(jī)到初始化的過(guò)程了，接著給大家說(shuō)一下類加載器的概念

因?yàn)閷?shí)現(xiàn)上述過(guò)程，那必須是依靠類加載器來(lái)實(shí)現(xiàn)的

那么Java里有哪些類加載器呢？簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)有下面幾種：

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啟動(dòng)類加載器 Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader，他主要是負(fù)責(zé)加載我們?cè)跈C(jī)器上安裝的Java目錄下的核心類的

在你的Java安裝目錄下，就有一個(gè)“l(fā)ib”目錄， Java最核心的一些類庫(kù)，支撐你的Java系統(tǒng)的運(yùn)行。

所以一旦你的JVM啟動(dòng)，那么首先就會(huì)依托啟動(dòng)類加載器，去加載你的Java安裝目錄下的“l(fā)ib”目錄中的核心類庫(kù)。

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擴(kuò)展類加載器 Extension ClassLoader

Extension ClassLoader，這個(gè)類加載器其實(shí)也是類似的，就是你的Java安裝目錄下，有一個(gè)“l(fā)ib\ext”目錄

大致就理解為去加載你寫(xiě)好的Java代碼吧，這個(gè)類加載器就負(fù)責(zé)加載你寫(xiě)好的那些類到內(nèi)存里。

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應(yīng)用程序類加載器 Application ClassLoader

Application ClassLoader，這類加載器就負(fù)責(zé)去加載“ClassPath”環(huán)境變量所指定的路徑中的類

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自定義類加載器

除了上面那幾種之外，還可以自定義類加載器，去根據(jù)你自己的需求加載你的類。

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雙親委派機(jī)制

JVM的類加載器是有親子層級(jí)結(jié)構(gòu)的，就是說(shuō)啟動(dòng)類加載器是最上層的，擴(kuò)展類加載器在第二層，第三層是應(yīng)用程序類加載器，最后一層是自定義類加載器。

然后，基于這個(gè)親子層級(jí)結(jié)構(gòu)，就有一個(gè)雙親委派的機(jī)制

什么意思呢？

就是假設(shè)你的應(yīng)用程序類加載器需要加載一個(gè)類，他首先會(huì)委派給自己的父類加載器去加載，最終傳導(dǎo)到頂層的類加載器去加載

但是如果父類加載器在自己負(fù)責(zé)加載的范圍內(nèi)，沒(méi)找到這個(gè)類，那么就會(huì)下推加載權(quán)利給自己的子類加載器。

用一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下:

比如你的JVM現(xiàn)在需要加載“ReplicaManager”類，此時(shí)應(yīng)用程序類加載器會(huì)問(wèn)問(wèn)自己的爸爸，也就是擴(kuò)展類加載器，你能加載到這個(gè)類嗎？

然后擴(kuò)展類加載器直接問(wèn)自己的爸爸，啟動(dòng)類加載器，你能加載到這個(gè)類嗎？

啟動(dòng)類加載器心想，我在Java安裝目錄下，沒(méi)找到這個(gè)類啊，自己找去！

然后，就下推加載權(quán)利給擴(kuò)展類加載器這個(gè)兒子，結(jié)果擴(kuò)展類加載器找了半天，也沒(méi)找到自己負(fù)責(zé)的目錄中有這個(gè)類。

這時(shí)他很生氣，說(shuō)：明明就是你應(yīng)用程序加載器自己負(fù)責(zé)的，你自己找去。

然后應(yīng)用程序類加載器在自己負(fù)責(zé)的范圍內(nèi)，比如就是你寫(xiě)好的那個(gè)系統(tǒng)打包成的jar包吧，一下子發(fā)現(xiàn)，就在這里！然后就自己把這個(gè)類加載到內(nèi)存里去了。

這就是所謂的雙親委派模型：先找父親去加載，不行的話再由兒子來(lái)加載。

這樣的話，可以避免多層級(jí)的加載器結(jié)構(gòu)重復(fù)加載某些類。

最后，給大家來(lái)一張圖圖，感受一下類加載器的雙親委派模型。

思考

如何對(duì)“.class”文件處理保證不被人拿到以后反編譯獲取公司源代碼？

首先你編譯時(shí)，就可以采用一些小工具對(duì)字節(jié)碼加密，或者做混淆等處理

現(xiàn)在有很多第三方公司，都是專門做商業(yè)級(jí)的字節(jié)碼文件加密的，所以可以付費(fèi)購(gòu)買他們的產(chǎn)品。

然后在類加載的時(shí)候，對(duì)加密的類，考慮采用自定義的類加載器來(lái)解密文件即可，這樣就可以保證你的源代碼不被人竊取。

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Tomcat的類加載機(jī)制應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)，才能把我們動(dòng)態(tài)部署進(jìn)去的war包中的類，加載到Tomcat自身運(yùn)行的JVM中，然后去執(zhí)行那些我們寫(xiě)好的代碼呢？

首先Tomcat的 類加載器體系如下圖所示，他是自定義了很多類加載器的。

Tomcat自定義了Common、Catalina、Shared等類加載器，其實(shí)就是用來(lái)加載Tomcat自己的一些核心基礎(chǔ)類庫(kù)的。

然后Tomcat為每個(gè)部署在里面的Web應(yīng)用都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的WebApp類加載器，負(fù)責(zé)加載我們部署的這個(gè)Web應(yīng)用的類

至于Jsp類加載器，則是給每個(gè)JSP都準(zhǔn)備了一個(gè)Jsp類加載器。

而且大家一定要記得，Tomcat是打破了雙親委派機(jī)制的

每個(gè)WebApp負(fù)責(zé)加載自己對(duì)應(yīng)的那個(gè)Web應(yīng)用的class文件，也就是我們寫(xiě)好的某個(gè)系統(tǒng)打包好的war包中的所有class文件，不會(huì)傳導(dǎo)給上層類加載器去加載。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的jvm性能调优 - 01类加载机制Review的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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