一、Java 编译和 .class 文件生成

Java 源代码文件（.java 文件）在编译之后会生成一个或多个 .class 文件。每个 .class 文件对应一个 Java 类或接口，包含了编译后的字节码。Java 字节码是 JVM 可以理解和执行的指令集，独立于具体的硬件和操作系统。

编译过程通常由 Java 编译器 javac 完成，例如：

javac MyClass.java

这条命令会将 MyClass.java 源文件编译成 MyClass.class 文件。.class 文件是二进制文件，包含了 Java 类的定义信息，包括类的全限定名、字段、方法、常量池、字节码等。

二、JVM 内存模型

在讨论 .class 文件加载位置之前，了解 JVM 的内存模型是必要的。JVM 内存分为多个区域，每个区域用于不同类型的数据和对象：

1. 堆（Heap）：存储所有对象实例和数组。堆是 JVM 中最大的内存区域，所有线程共享。

2. 栈（Stack）：每个线程独有的内存区域，用于存储局部变量、方法调用信息、操作数栈等。

3. 方法区（Method Area）：存储类的结构信息（如类元数据、运行时常量池、静态变量、方法字节码等）。方法区是所有线程共享的区域。方法区在 Java 8 之前被称为“永久代”（PermGen），从 Java 8 开始更名为“元空间”（Metaspace）。

4. 程序计数器（Program Counter Register）：每个线程独有的小内存区域，指示当前线程执行的字节码的地址。

5. 本地方法栈（Native Method Stack）：与 JVM 栈类似，专用于本地方法（如 JNI 方法）调用时的栈帧。

三、.class 文件的加载过程

在 Java 中，.class 文件的加载过程由 JVM 类加载器（Class Loader）完成。类加载器负责从文件系统、网络、或其他来源获取 .class 文件，将其转换为 JVM 可以理解的数据结构，并存储在方法区。

1. 类加载器（Class Loader）

JVM 使用类加载器来动态加载类。类加载器有多种类型，以下是几种常见的类加载器：

• 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：用来加载 Java 核心类库，如 java.lang、java.util 包中的类。这个加载器由 JVM 内部实现，通常用 C/C++ 代码编写。
• 扩展类加载器（Extension ClassLoader）：用来加载 Java 的扩展类库。通常加载 JAVA_HOME/lib/ext 目录中的类。
• 应用程序类加载器（Application ClassLoader）：又称系统类加载器，用来加载应用程序类路径（CLASSPATH）上的类。它是最常用的类加载器，负责加载我们编写的 Java 类。

用户可以自定义类加载器，通过扩展 java.lang.ClassLoader 类来实现，通常用于实现自定义类的加载策略，如从网络加载类、加密类加载等。

2. 类加载过程的五个阶段

类的加载过程可以分为以下五个阶段：

1. 加载（Loading）：

   • 类加载器读取 .class 文件的字节码，转换为 JVM 可以识别的数据结构，并将这些数据结构存储在方法区中。
   • 同时，在堆中创建一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，这个对象封装了类在方法区中的数据结构，并提供访问方法。

2. 验证（Verification）：

   • 验证类文件格式是否合法，确保它符合 JVM 规范。
   • 验证字节码没有危害性，避免恶意代码的破坏。
   • 验证包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

3. 准备（Preparation）：

   • 为类的静态变量分配内存，并初始化为默认值。
   • 注意，此时仅仅是分配内存和设置默认值，而不是初始化为代码中定义的值（这将在初始化阶段进行）。

4. 解析（Resolution）：

   • 将常量池中的符号引用（Symbolic References）转换为直接引用（Direct References）。
   • 这一步通常是懒加载，即在使用符号引用时才解析为直接引用。

5. 初始化（Initialization）：

   • 执行类的静态初始化块（static { ... }）和静态变量初始化。
   • 类的初始化是线程安全的，JVM 会确保同一个类在多线程环境下只被初始化一次。

四、.class 文件加载到方法区

当一个 .class 文件被 JVM 加载时，它的内容被放置在方法区中。方法区是 JVM 内存模型中的一部分，存储了已加载类的元数据信息。方法区中的内容包括：

• 类元数据：包含类的全限定名、类的修饰符、父类、接口、字段、方法描述符等。
• 运行时常量池（Runtime Constant Pool）：存储类文件中的常量信息，如字面量和符号引用。运行时常量池在类加载时被方法区的常量池存储。
• 方法字节码（Method Bytecode）：存储方法的字节码（每个方法都有一个字节码数组）。
• 静态变量：存储类的静态变量。
• 类初始化代码：存储类初始化的代码块（<clinit> 方法）。

五、元空间（Metaspace）和永久代（PermGen）的区别

从 Java 8 开始，JVM 用元空间（Metaspace）替代了永久代（PermGen）。这两个区域的主要区别在于：

• 永久代（PermGen）：永久代是 JVM 的一部分，用于存储类的元数据。永久代的内存大小是固定的，容易导致 OutOfMemoryError（OOM）。永久代使用堆内存来存储类的元数据，并且与应用程序的堆内存共享同一个垃圾回收机制。

• 元空间（Metaspace）：元空间也是存储类元数据，但它不使用堆内存，而是直接使用本地内存（Native Memory）。元空间的大小可以根据需要动态调整，因此更有效地避免了永久代中常见的内存问题。元空间使得 JVM 更加灵活和高效。

优点：

• 动态调整：元空间使用本地内存，大小可以动态调整，不会像永久代一样受到固定大小的限制。
• 减少 OOM：通过将类元数据存储在本地内存中，元空间减少了 OutOfMemoryError 的风险。

六、.class 文件加载示例

我们来详细分析一个简单的 Java 类加载过程示例：

public class MyClass {
    static {
        System.out.println("Class MyClass is initialized.");
    }

    private static int staticVar = 10;

    public static void display() {
        System.out.println("Static Method");
    }
}

加载过程分析：

1. 加载：MyClass.class 文件被 JVM 类加载器加载，MyClass 的字节码被读取并存储在方法区。

2. 验证：JVM 验证 MyClass 的字节码是否合法。

3. 准备：JVM 为静态变量 staticVar 分配内存，并初始化为默认值 0（这是准备阶段的默认值初始化）。

4. 解析：符号引用解析为直接引用。

5. 初始化：执行类的静态初始化块，输出 "Class MyClass is initialized."，然后将 staticVar 初始化为 10。

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        MyClass.display();
    }
}

在 Test 类的 main 方法中，第一次调用 MyClass.display()，此时 MyClass 被初始化并加载到方法区。静态初始化块和静态变量的初始化在方法区完成，display 方法的字节码也在方法区中存储。

七、总结

在 Java 中，.class 文件的加载是一个由类加载器管理的复杂过程，它将 .class 文件中的字节码转换为 JVM 可以执行的代码，并将其存储在方法区中。
在 Java 中，编译后的 .class 文件是 Java 字节码文件，它被 Java 虚拟机（JVM）加载和执行。了解 .class 文件的加载位置和过程是掌握 Java 内存模型和 JVM 工作机制的重要一部分。