.class文件

.class文件是编译.java文件生成的，即所谓的字节码文件。理论上说，不论是什么编程语言，只要经过编译器编译生成的文件符合class文件规范，都可以在JVM上正常运行。这也是如Groovy、Kotlin、Scala……这些语言能够在JVM上运行的本质原因。

想深入学习JVM，字节码文件是避不开的一个知识点。这块知识点相对JVM其他的知识点来说算比较简单的，想深入学习JVM的同学建议补下这块知识。如果你是在看不懂也没关系，我会在VIP课中深入讲解，手动模拟类加载器解析class文件的过程。

instanceKlass类

这是一个C++类，是Java类在JVM中的存在形式，是.class文件经过类加载器子系统加载后生成的。注意：这个类只是Java类在JVM中的存在形式，并不是Class对象。看核心代码

instanceKlassHandle ClassFileParser::parseClassFile(Symbol* name,

                                                    ClassLoaderData* loader_data,

                                                    Handle protection_domain,

                                                    KlassHandle host_klass,

                                                    GrowableArray<Handle>* cp_patches,

                                                    TempNewSymbol& parsed_name,

                                                    bool verify,

                                                    TRAPS) {

  ……

    // We can now create the basic Klass* for this klass

    _klass = InstanceKlass::allocate_instance_klass(loader_data,

                                                    vtable_size,

                                                    itable_size,

                                                    info.static_field_size,

                                                    total_oop_map_size2,

                                                    rt,

                                                    access_flags,

                                                    name,

                                                    super_klass(),

                                                    !host_klass.is_null(),

                                                    CHECK_(nullHandle));

    instanceKlassHandle this_klass (THREAD, _klass);

……     

instanceKlass是Klass类的子类，除了完全继承了Klass类的非私有属性外，自己又定义了很多属性用来描述Java类的信息，我们来看看这些属性（标成蓝色的是比较常见的）：

• _annotations：保存该类的所有注解
• _array_klasses：保存数组元素所关联的klass指针
• _constants：保存该类的常量池指针
• _inner_classes：保存内部类相关的信息
• _array_name：如果该类是数组，就会生成数组类名词，如“[Ljava/lang/String;”
• _nonstatic_field_size：非静态字段数量
• _static_field_size：静态字段数量
• _generic_signature_index：泛型签名在常量池中的索引
• _source_file_name_index：文件名在常量池中的索引
• _static_oop_field_count：该类包含的静态的引用类型字段个数
• _java_fields_count：已声明的Java字段数量
• _nonstatic_oop_map_size：非静态oop映射块的大小(以字为单位)
• _is_marked_dependent：用于刷新和反优化期间打标
• _minor_version：主版本号
• _major_version：次版本号
• _init_thread：初始化此类的线程
• _vtable_len：虚函数表的大小
• _itable_len：接口函数表的大小
• _oop_map_cache：该类所有方法的OopMapCache(延迟分配)
• _member_names：MemberNameTable指针
• _jni_ids：存放jni_id单向链表的首地址（什么是jni_id?）
• _methods_jmethod_ids：与method_idnum对应的jmethodIDs，如果没有，则为NULL
• _dependencies：存放nmethod的Bucket的首地址
• _osr_nmethods_head：栈上替换nmethods的链表的首地址
• _breakpoints：断点链表首地址
• _previous_versions：此实例的前一个版本的有趣部分的数组。请参见下面的PreviousVersionWalker
• _cached_class_file：缓存的类文件
• _idnum_allocated_count：已经分配的idnum的个数
• _init_state：该类的状态，值：allocated（已分配内存但未链接）、loaded（加载并插入到类层次结构中但仍未链接）、linked（验证及链接成功但未初始化）、being_initialized（正在初始化）、fully_initialized（已完成初始化）、initialization_error（初始化出错）
• _reference_type：引用类型
• _methods：存储该类的所有方法对象的指针的数组指针
• _default_methods：存储从接口继承的所有方法对象的指针的数组指针
• _local_interfaces：数组指针，存储所有实现的接口的指针
• _transitive_interfaces：数组，存储直接实现的接口指针+接口间继承实现的接口指针
• _method_ordering：包含类文件中方法的原始顺序的Int数组，JVMTI需要用到
• _default_vtable_indices：默认构造方法在虚表中的索引
• _fields：类的成员属性

Klass类

Klass类是Klass体系的基类，看下继承关系

从类名称上也能看出来，Klass相关类与元空间之间的关系。大多数情况下，Klass的子类是存储在元空间中的。正常情况下在C++中new一个对象，默认是在操作系统内存中的，JVM是如果实现在元空间中分配的呢？答案是重载C++的操作符new，是不是这样呢？看代码

void* MetaspaceObj::operator new(size_t size, ClassLoaderData* loader_data,

                                 size_t word_size, bool read_only,

                                 MetaspaceObj::Type type, TRAPS) throw() {

  // Klass has it's own operator new

  return Metaspace::allocate(loader_data, word_size, read_only,

                             type, CHECK_NULL);

}

Klass类有很多属性，我介绍几个重要的吧：

_layout_helper：如果这个Klass既不是instance也不是array，值为0，如果这个Klass是instance，值为对象的大小，如果这个Klass是array，值为负数。因为数组类型是运行时动态创建的，编译期无法知晓大小。

_java_mirror：这个Klass对于的镜像类的指针

Class对象

JVM并没有将描述Java类元信息的instanceKlass直接暴露给Java程序使用，而是又抽象了一层，即所谓的镜像类：instanceMirrorKlass。jdk8以后，类的静态属性也由存储在instanceKlass实例中转为存放在镜像类的实例中。详情见源码

instanceKlassHandle ClassFileParser::parseClassFile(Symbol* name,

                                                    ClassLoaderData* loader_data,

                                                    Handle protection_domain,

                                                    KlassHandle host_klass,

                                                    GrowableArray<Handle>* cp_patches,

                                                    TempNewSymbol& parsed_name,

                                                    bool verify,

                                                    TRAPS) {

……

    // Allocate mirror and initialize static fields

    java_lang_Class::create_mirror(this_klass, protection_domain, CHECK_(nullHandle));

……  

oop java_lang_Class::create_mirror(KlassHandle k, Handle protection_domain, TRAPS) {

……

    Handle mirror = InstanceMirrorKlass::cast(SystemDictionary::Class_klass())->allocate_instance(k, CHECK_0);

……

      // Initialize static fields

      InstanceKlass::cast(k())->do_local_static_fields(&initialize_static_field, CHECK_NULL);

……

先看下第六行代码：初始化静态字段

再看下第三行代码调用的方法：allocate_instance

instanceOop InstanceMirrorKlass::allocate_instance(KlassHandle k, TRAPS) {

  // Query before forming handle.

  int size = instance_size(k);

  KlassHandle h_k(THREAD, this);

  instanceOop i = (instanceOop) CollectedHeap::Class_obj_allocate(h_k, size, k, CHECK_NULL);

  return i;

}

从代码中可以看出来，是从堆区分配内存的。所以说Class对象是分配在堆上的。

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结语

总结一下，类加载器将.class文件载入JVM中，parse后生成的是instanceKlass对象，之后会生成这个Klass类对应的镜像类实例，并将Java类中的静态变量初始化后存储在镜像类实例中。这个镜像类就是我们Java代码中的Class对象。