Java的加载过程与内存模型

Java加载组件

编译时

进行java文件的编译，最终转换为字节码文件

类加载时

• 类加载器(ClassLoader)：负责加载类文件
• 加载(Loading)：读取类文件并创建二进制表示
• 连接(Linking)：分为三个子步骤
  • 验证：确保类文件结构正确
  • 准备：为静态变量分配内存并设置初始值
  • 解析：将符号引用转换为直接引用
• 初始化(Initialization)：执行类的静态初始化代码
• 使用(Using)：程序中使用类
• 卸载(Unload)：类被JVM卸载

运行时

• JVM运行时内存区：
  • 元空间(Metaspace)：存储类信息、常量和静态变量
  • 堆(Heap)：存储对象实例和数组
  • 虚拟机栈(JVM Stack)：包含方法调用的栈帧和局部变量表
  • 程序计数器(PC Register)：记录当前执行的指令地址
• 执行引擎(Execution Engine)：
  • 解释器(Interpreter)：逐条解释执行字节码
  • JIT编译器：将热点代码编译为本地机器码，提高执行效率
  • 垃圾回收器(GC)：自动管理内存，回收不再使用的对象
  • 本地方法接口(JNI)：调用本地方法
  • 本地方法库：C/C++实现的方法和操作系统API
• 执行过程：
  • 加载类的字节码
  • 解析字节码
  • 根据代码热度决定使用解释执行或JIT编译
  • 执行生成的机器码
  • 必要时调用系统API
  • 自动进行内存管理和垃圾回收

Java代码块的存储位置和加载流程

类加载流程

编译时

将 Java 源文件编译为字节码文件（.class），期间编译器为每个方法建立局部变量表，
使用插槽（slot）索引来管理变量引用和原始类型的存储。

编译器根据方法类型（静态/成员方法）和变量来源（this、参数、局部变量）决定变量在局部变量表中的排布顺序。

类加载

类加载器将 class 文件加载到 JVM，并在元空间中构建 class 元信息（如 instanceKlass）
将字段、方法、常量池、接口等信息组织到元空间结构中。

静态方法、final 方法、private 方法在加载时即可确定其调用目标，无需在运行时通过虚方法表进行分派。

JVM 构建字段布局信息（field layout），根据字段描述符计算字段在类和对象中的偏移地址。

同时将类常量池中的符号引用解析为直接引用（符号引用 → 具体类、字段或方法的内存地址）。

运行时

当类首次被主动使用（如 new 操作）时，如果尚未初始化，则触发 <clinit> 静态初始化流程。

JVM 执行静态变量初始化和静态代码块，初始化类的元数据。

实例化时，JVM 查询该类实例所需的内存布局，并向堆内存申请对应大小空间。

JVM 在执行构造函数前，会先执行成员变量的初始化表达式和实例初始化块。

这些初始化代码由编译器编译时插入到 <init> 构造方法的开头。

构造函数执行时，按局部变量表加载 this 引用和方法参数，进入对象初始化流程。

JVM 根据字段描述符数组的偏移量以及继承结构，为每个成员变量分配偏移地址，按偏移将数据写入堆中对象实例。

构造函数执行完成后，将对象的引用（oop 指针）返回给调用者，通常压入操作数栈以供后续使用。

调用实例方法时，JVM 通过对象中的类元数据指针访问虚方法表（vtable），
按方法签名找到对应方法的偏移并执行。

static,final,private方法 在前期进行了静态绑定，不需要查询虚方法表，通过静态绑定（确定方法地址）执行

Java成员组件的存储位置和执行时间点

类型	定义方式	执行时间点	存储位置	描述
静态常量	static final 修饰字段	编译期内联 或 类加载时	字节码中为常量池引用；可能内联进调用类	编译器常将其内联优化，若为编译期常量，不依赖类初始化
静态变量	static 修饰的字段	类加载时，初始化阶段	存储在元空间	所有对象共享；存在于元空间中
静态初始化块	static { ... }	类加载时，静态变量之后	存储在元空间	通常用于复杂的静态初始化逻辑
实例变量	普通字段（无 static）	对象创建时，构造器之前	存储在堆上	每个对象独立拥有
初始化块	{ ... } （非 static）	对象创建时，实例变量之后、构造器之前	存储在堆上	主要用于多个构造器共享的初始化代码
构造器	ClassName(...) { ... }	对象创建时，初始化块之后	存储在元空间	实例构造函数，用于完成对象的最终初始化
方法（成员方法）	public void method() { ... }	被调用时执行	存储在元空间	普通成员函数
静态方法	public static void method() {}	被调用时执行	存储在元空间	不依赖对象即可调用的方法

类模板在内存中的布局

变量，引用，类型和对象

通过上面的分析，我们可以看出 ：

Java 文件中声明的变量名，本质上是对对象的引用标识。在编译和加载过程中，它们会被转化为对具体内存位置的间接访问方式：
静态变量会在类加载后映射为元空间中的字段引用；
局部变量则被分配到局部变量表中的索引（slot），在运行时与具体对象地址建立关联。

这使我们可以重新理解 Java 的多态定义：父类类型的引用可以指向子类对象。编译器仅根据引用的静态类型进行方法合法性校验，而对象在运行时的实际类型仍然是子类。当调用实例方法时，JVM 会根据对象实际类型查找其虚方法表（vtable），以确定最终调用的具体方法实现。父类引用的作用仅在于提供一种统一的行为接口，而不关注行为的具体实现。

所以 ，在java中 ：

变量名（引用） → 编译，加载后被编译为直接引用或局部变量表中的索引

类型 → 变量的声明类型决定了其可用的操作（行为接口），而对象的实际类型由右侧的实例化过程决定，并影响运行时的动态方法分派。

对象 → 对象的存储和行为依赖于修饰词声明和对象的具体创建过程，会分布在

• 代码（常量数值直接嵌入）
• 常量池（static final 修饰的非数值类型）
• 元空间（静态变量）
• 堆（new 或反射构建的对象）
• 栈（局部变量）