java 底层原理怎么学 java底层知识

文章目录

• 谈谈你对java的理解
• 平台无关性如何实现

• 为什么JVM不直接将源码解析成机器码去执行

• JVM如何加装.class文件
• 什么是反射

• 写一个反射的例子

• 谈谈ClassLoader

• 类从编译到执行的过程
• 谈谈ClassLoader
• ClassLoader的种类

• 自定义ClassLoader的实现

• 双亲委派机制

• 过程
• 为什么要设计这种机制

• 类加载方式

• loadClass和forName的区别

• 类的装载过程

• java 的内存模型

谈谈你对java的理解

• 平台无关性
• GC
• 语言特性（泛型、反射、兰姆达表达式）
• 面向对象（封装、继承、多态）
• 类库
• 异常处理

平台无关性如何实现

Compile Once, Run Anywhere

java源码首先被编码成字节码（.class文件），再由不同平台的JVM进行解析。java语言在不同平台上运行时不需要进行重新编译，java虚拟机在执行字节码的时候，把字节码转换为具体平台上的机器指令。

为什么JVM不直接将源码解析成机器码去执行

• 准备工作：每次执行都需要进行各种检查
• 兼容性:也可以将别的语言解析成字节码

JVM如何加装.class文件

什么是反射

java反射机制是在运行状态中，对于任意一个类，都能够知道这个类的所有属性和方法；对于任意一个对象，都能够调用它的任意方法和属性；这种动态获取信息以及动态调用对象方法的功能称为java语言的反射机制。

反射就是把java类中的各种成分映射成一个个java对象

写一个反射的例子

package javabasic.reflect;

public class Robot {
    private String name;
    public void sayHi(String helloSentence){
        System.out.println(helloSentence + " "+ name);
    }
    private String throwHello(String tag){
        return "Hello" + tag;
    }
}

package javabasic.reflect;

import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class ReflectSample {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, NoSuchFieldException {
        Class rc = Class.forName("javabasic.reflect.Robot");
        Robot r = (Robot) rc.newInstance();
        System.out.println("Class name is "+ rc.getName());
        //r.sayHi("bob");
        Method getHello = rc.getDeclaredMethod("throwHello",String.class);
        getHello.setAccessible(true);//throwHello是私有方法，直接访问会报错
        Object str = getHello.invoke(r, "Bob");
        System.out.println("getHello result is "+ str);

        Method sayHi = rc.getMethod("sayHi", String.class);
        sayHi.invoke(r, "Welcome");

        Field name  = rc.getDeclaredField("name");
        name.setAccessible(true);
        name.set(r,"Alice");
        sayHi.invoke(r, "Welcome");
    }
}

//input
Class name is javabasic.reflect.Robot
getHello result is HelloBob
Welcome null
Welcome Alice

Process finished with exit code 0

谈谈ClassLoader

类从编译到执行的过程

• 编译器将Robot.java源文件编译成Robot.class字节码文件
• ClassLoader将字节码转换为JVM中的Class对象
• JVM利用Class对象实例化Robot对象

谈谈ClassLoader

ClassLoader主要工作在类加载阶段，其主要作用是从系统外获得Class二进制数据流。

它是java的核心组件，所有的Class都由ClassLoader进行加载，ClassLoader负责通过将Class文件里的二进制数据流装载进系统，然后交给java虚拟机进行连接、初始化等操作。

ClassLoader的种类

自定义ClassLoader的实现

关键函数：

protected Class<T> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
    protected  final Class<?> defineClass(byte[] b, int  off, int len) throws ClassFormatError{
        return defineClass(null, b, off, len, null);
    }

package javabasic.reflect;

import java.io.*;

public class MyClassLoader extends ClassLoader{
    private String path;
    private String classLoaderName;

    public MyClassLoader(String path, String classLoaderName){
        this.path = path;
        this.classLoaderName = classLoaderName;
    }

    //用于寻找类文件
    public Class findClass(String name){
        byte[] b = new byte[0];
        try {
            b = loadClassData(name);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return defineClass(name, b, 0,b.length);
    }

    //用于加载类文件
    private byte[] loadClassData(String name) throws IOException {
        name = path + name + ".class";
        InputStream in = null;
        ByteArrayOutputStream out  = null;
        try{
            in = new FileInputStream(new File(name ));
            out = new ByteArrayOutputStream();
            int i = 0;
            while((i = in.read()) != -1){
                out.write(i);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }finally {
            out.close();
            in.close();
        }
        return out.toByteArray();
    }
}

双亲委派机制

过程

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的加载器都是如此，因此所有的类加载请求都会传给顶层的启动类加载器，只有当父加载器反馈自己无法完成该加载请求（该加载器的搜索范围中没有找到对应的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

使用双亲委派模型的好处在于Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object，它存在在rt.jar中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的Bootstrap ClassLoader进行加载，因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，程序将混乱。因此，如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类，可以正常编译，但是永远无法被加载运行。

为什么要设计这种机制

这种设计有个好处是，如果有人想替换系统级别的类：String.java。篡改它的实现，在这种机制下这些系统的类已经被Bootstrap classLoader加载过了（为什么？因为当一个类需要加载的时候，最先去尝试加载的就是BootstrapClassLoader），所以其他类加载器并没有机会再去加载，从一定程度上防止了危险代码的植入。

类加载方式

• 隐式加载 new
• 显式加载 loadClass,forName等

loadClass和forName的区别

Class.forName得到的class是完成初始化的
Classloader.loadClass得到的class是还没完成链接的

类的装载过程

• 类加载： 通过classloader加载字节码文件，生成class对象
• 链接

• 校验：检查加载的class的正确性和安全性
• 准备：为类变量分配存储空间并设置类变量的初始值
• 解析：JVM将常量池内的符号引用转换为直接引用

• 初始化 ：执行类变量赋值和静态代码块

java 的内存模型

• 程序计数器

• 当前线程所执行的字节码行号指示器（逻辑）
• 改变计数器的值来选取下一条所需要执行的字节码指令
• 和线程是一对一的关系（线程私有）
• 对java方法计数，如果是native方法则计数器的值为undefined
• 不必担心内存泄漏

• java虚拟机栈

• java方法执行的内存模型
• 包含多个栈帧，栈帧包含了局部变量表，操作栈，动态链接，返回地址等

局部变量表和操作数栈
局部变量表包含方法执行过程中的所有变量
操作数栈：入栈，出栈，赋值，交换，产生消费变量

• 本地方法栈 ：与虚拟机栈类似，主要作用于标注了native的方法
  
  
• 元空间和永久代的区别
  元空间使用本地内存，永久代使用的是jvm的内存
• meta Space比permGen的优势

• 字符串常量池存在永久代中，容易出现性能问题和内存溢出
• 类方法的信息大小难确定，给永久代的大小指定带来困难
• 永久代会给GC带来不必要的复杂性
• 方便HotSpot与其他JVM如Jrockit的集成

• Java堆

• 对象实例的分配区域
• GC管理的主要区域