摘要：驗(yàn)證過程驗(yàn)證過程的目的是為了確保文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。二虛擬機(jī)字節(jié)碼執(zhí)行引擎虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎自行實(shí)現(xiàn)，可以自行制定指令集與執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)體系。

本篇博客主要針對Java虛擬機(jī)的類加載機(jī)制，虛擬機(jī)字節(jié)碼執(zhí)行引擎，早期編譯優(yōu)化進(jìn)行總結(jié)，其余部分總結(jié)請點(diǎn)擊Java虛擬總結(jié)上篇 。

虛擬機(jī)把描述類的數(shù)據(jù)從Class文件加載到內(nèi)存，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機(jī)直接使用的Java類型，這就是虛擬機(jī)的類加載機(jī)制。

類加載的時機(jī)不止一種：

遇到new等字節(jié)碼指令時會進(jìn)行類加載

反射調(diào)用時會進(jìn)行類加載

在初始化時，若待初始化的類有父類則其父類先進(jìn)行初始化(接口除外),并且先初始化包含main的主類。需要注意的是子類引用父類非final靜態(tài)變量時，只初始化靜態(tài)變量所在類，即父類，而引用final類型static變量不會引起任何初始化，因?yàn)槠渚幾g期間就已經(jīng)儲存在常量池中了。另外數(shù)組定義也是不會引發(fā)類的初始化。比如

Student[] stus=new Student[10];

是不會引起Student類的初始化的。

通過類的全限定名來獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流，將這個字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)的運(yùn)行時數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在內(nèi)存中生成一個代表類的數(shù)據(jù)訪問入口的java.lang.Class對象。

驗(yàn)證過程的目的是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會危害虛擬機(jī)自身的安全。主要有

文件格式驗(yàn)證：驗(yàn)證魔數(shù)，主次版本號，常量類型等。

元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：是否有父類，是否繼承了不該繼承的類，抽象類是否實(shí)現(xiàn)了方法等。

字節(jié)碼驗(yàn)證：確保程序語義是合法的，符合邏輯的。如類型轉(zhuǎn)換，跳轉(zhuǎn)指令等。

符號引用驗(yàn)證：對類自身以外的信息（常量池中的各種引用）進(jìn)行匹配校驗(yàn)。

正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段,只包括類變量而不包括實(shí)例變量和final類變量，而且僅僅只是初始化為0值。

虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程。符號引用用一組符號來描述所引用的目標(biāo)。而直接引用是直接指向目標(biāo)的指針，相對偏移量或是一個能間接定位到目標(biāo)的句柄。

在初始化階段真正開始執(zhí)行Java程序代碼（字節(jié)碼），執(zhí)行類的構(gòu)造器()方法,()方法是由編譯器自動收集所有類變量的賦值動作和靜態(tài)語句塊的語句合并而成,同一類中的靜態(tài)塊與類變量按順序初始化,在同一個加載器下，一個類只會被初始化一次。

實(shí)現(xiàn)通過一個類的全限定名獲取描述此類的二進(jìn)制字節(jié)流的代碼模塊稱為類加載器。比較兩個類是否相等，一定是在同一個類加載器的前提下進(jìn)行的，否則哪怕Class文件都一樣也不相等

啟動類加載器， 負(fù)責(zé)將存放在lib目錄或-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的類庫加載到內(nèi)存中。

擴(kuò)展類加載器，負(fù)責(zé)加載libext目錄或java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫。

應(yīng)用程序類加載器，負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（classpath）上的指定類庫，我們可以直接使用這個類加載器。一般情況，如果我們沒有自定義類加載器默認(rèn)就是用這個加載器。

雙親委派模型工作過程是：如果一個類加載器收到類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器完成。每個類加載器都是如此，只有當(dāng)父加載器在自己的搜索范圍內(nèi)找不到指定的類時（即ClassNotFoundException），子加載器才會嘗試自己去加載。

這樣做的好處是Java類隨著它的類加載器一起具備了一種帶有優(yōu)先級的層次關(guān)系。

虛擬機(jī)的執(zhí)行引擎自行實(shí)現(xiàn)，可以自行制定指令集與執(zhí)行引擎的結(jié)構(gòu)體系。

棧幀是用于支持虛擬機(jī)進(jìn)行方法調(diào)用和方法執(zhí)行的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是虛擬機(jī)棧的棧元素。它儲存了方法的局部變量表，操作數(shù)棧，動態(tài)鏈接，方法返回地址，對于活動線程來說，只有棧頂?shù)臈攀怯行У?，稱為當(dāng)前棧幀，與其關(guān)聯(lián)的方法叫做當(dāng)前方法。

局部變量表存放方法參數(shù)和方法內(nèi)部定義的變量。單位是slot（槽），最大可以達(dá)到32位。垃圾回收時，slot可以復(fù)用，將不使用的變量置為null是有意義的，方便垃圾回收。局部變量不像類變量，是沒有初始值的。

當(dāng)虛擬機(jī)發(fā)現(xiàn)某個方法或代碼塊運(yùn)行特別頻繁時，就會把這些代碼認(rèn)定為 “Hot Spot Code”（熱點(diǎn)代碼），為了提高熱點(diǎn)代碼的執(zhí)行效率，在運(yùn)行時，虛擬機(jī)將會把這些代碼編譯成與本地平臺相關(guān)的機(jī)器碼，并進(jìn)行各層次的優(yōu)化，完成這項(xiàng)任務(wù)的正是 JIT 編譯器。

遇到方法的返回指令-->正常完成出口

遇到異常并且未處理-->異常完成出口，不會給上層調(diào)用者產(chǎn)生任何返回值

方法在編譯時并不確定方法的真實(shí)地址，而是一個符號引用，使得Java的動態(tài)擴(kuò)展能力提升，在類加載過程甚至運(yùn)行時才確定目標(biāo)方法的直接引用。

在類的解析階段將一部分符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用，這部分符號引用代表的方法必須“編譯期可知，運(yùn)行時不變”，如靜態(tài)方法，私有方法，實(shí)例構(gòu)造器，父類方法。final方法也是。

靜態(tài)分派(與重載相關(guān))，依賴靜態(tài)類型來定位方法執(zhí)行版本的分派動作。自動轉(zhuǎn)型順序：char->int->long->float->double->Character->Serializable->Object->char...

動態(tài)分派(重寫相關(guān))，找到操作數(shù)棧頂?shù)牡谝粋€元素所指向的對象的實(shí)際類型，若常量池中的描述符和簡單名稱都相符，則返回直接引用，否則對其父類進(jìn)行第二步。

動態(tài)分配的實(shí)現(xiàn)：

在類的方法區(qū)建立一個虛方法表提升效率，若子類未重寫父類的方法，則子類的繼承方法中地址和父類方法的地址是一樣的，若重寫了父類的方法，則子類的方法地址就會改變，指向自己實(shí)現(xiàn)的版本。如上圖Son的clone方法沒有被重寫，指向的是Object父類的地址，而hardChoice方法被重寫了，指向的是Son自己實(shí)現(xiàn)的地址。

類型檢查的主題過程在運(yùn)行期而不是在編譯期，如Python，Javascript，Ruby，PHP，與之相對的就是靜態(tài)語言。

解釋執(zhí)行為邊解釋邊執(zhí)行，編譯執(zhí)行則是先將源代碼編譯成目標(biāo)語言 (如: 機(jī)器語言) 之后通過連接程序連接到生成的目標(biāo)程序進(jìn)行執(zhí)行。

基于棧的指令集：Java編譯器輸出的指令流

基于寄存器的指令集：x86匯編

三種編譯器：

前端編譯器:把.java變成.class的過程，eg:Javac

后端運(yùn)行期編譯器(JIT)：把字節(jié)碼變成機(jī)器碼的過程,eg:Hotpot的C1，C2編譯器

靜態(tài)提前編譯器(AOT):直接把*.java變成機(jī)器碼的過程，eg:GCJ(GNU Compiler for the Java)

標(biāo)記是編譯過程的最小元素，關(guān)鍵字、變量名、字面量、運(yùn)算符都可以成為標(biāo)記，詞法分析就是將源代碼的字符流轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)記集合。

語法分析是根據(jù)Token序列構(gòu)造抽象語法樹的過程。抽象語法樹是用來描述程序代碼語法結(jié)構(gòu)的樹形表示方法，每一個節(jié)點(diǎn)都代表著程序代碼的一個語法結(jié)構(gòu)：包，類型，修飾符等。

類似編譯器的一種插件，如果插件對語法樹進(jìn)行了修改，編譯器將回到解析及填充符號表的過程重新處理。

對語法抽象樹進(jìn)行上下文有關(guān)性質(zhì)的審查，如類型檢查。

將前面各個步驟生成的信息轉(zhuǎn)換成字節(jié)碼寫到磁盤中，類構(gòu)造器和實(shí)例構(gòu)造器就是在這個階段添加到語法樹中。

泛型與類型擦除:與C#不一樣，Java的泛型是偽泛型，在生成的字節(jié)碼中已經(jīng)被替換成了原生類型了，會自動加上類型轉(zhuǎn)換。

遍歷:自動轉(zhuǎn)換為iterator遍歷。

裝箱與拆箱:==運(yùn)算在不遇到算數(shù)運(yùn)算的情況下不會自動拆箱。equals方法不會處理數(shù)據(jù)的類型轉(zhuǎn)換，而==會。

編譯器不會編譯if到達(dá)不到的語句，也就是取消分支不成立的代碼塊，可以查看反編譯后的代碼驗(yàn)證條件編譯。