01.29 從 Java 的平臺無關性引入的一系列面試題

在 Java 面試中，有一條很常見的詢問路線：從對 Java 的認識，到談 Java 的平臺無關性，到 Java 中的反射機制，再到類加載機制，繼而深入到雙親委派機制等。本文將根據這條路線，給出一份可供參考的回答，如有錯誤萬望指正。（推薦讀者們在回答的時候結合自己的認識和項目經歷作答）

1、談談 Java 的 Compile Once，Run Anywhere

1.1、一次編譯到處運行是如何實現的？

Java 程序從編寫到運行需要經歷這麼個過程：首先編寫 Java 源代碼，然後通過 Javac 編譯器將 Java 源代碼編譯成 .class 字節碼文件，然後把字節碼文件交給虛擬機，虛擬機會在執行 Java 程序的時候把字節碼轉換為機器碼執行。

字節碼文件是平臺無關性的重要一環。同一個 Java 程序能夠在 Linux，Windows 等不同平臺上運行，是因為不同平臺上安裝了不同的 Java 虛擬機，這些不同的虛擬機會根據同一份字節碼文件，轉換成各個平臺對應的機器碼，從而使 Java 程序在不同的平臺上運行。

按照這個邏輯，只要是符合規範的字節碼文件就能通過虛擬機在不同平臺運行，我們完全可以使用另一種語言編寫程序，編寫完後把程序編譯為字節碼文件，然後通過虛擬機在不同的平臺上運行。現實中也確實存在運行於 Java 虛擬機之上的其他語言程序。

1.2、為什麼 JVM 不直接將源碼解析成機器碼執行？

不同的機器安裝不同的虛擬機，JVM 直接解析 Java 源碼不是也能做到一次編譯到處運行嗎？

1. 這樣每次執行之前就要進行各種檢查（這是編譯成字節碼前的工作），降低了執行效率。
2. 上面提到的兼容其他語言的功能將無法實現。

2、JVM 是如何加載 .class 文件的？

JVM 是通過 Class Loader 類加載器來加載字節碼文件的，在介紹如何加載之前要先講講它加載的目的地，也就是 Java 虛擬機。

2.1、JVM 的結構：

Java 虛擬機是通過 c/c++ 編寫的，可以看作是一個模擬真實計算機的程序，通俗來說說它是一個跑在內存中的機器，而後面我們談到的 JVM 的內存結構就是存放在我們真實計算機的內存中的。（後面我會直接講 JVM 的內存）

JVM 大致可以分為四個模塊：

1. 類加載器：用於把字節碼文件加載進運行時數據區
2. 運行時數據區：字節碼文件的不同部分會被放入運行時數據區的不同地方
3. 執行器：執行字節碼中的程序
4. 本地代碼接口：調用宿主計算機的一些本地方法（ c/c++ 或其他語言編寫的接口）

其中運行時數據區是 Java 虛擬機的精華所在，它把字節碼文件中的數據按一定的格式和數據結構組織存放好，方便了執行器調用。

2.2、JVM 是如何加載 .class 文件的

JVM 是通過類加載器加載 .class 字節碼文件的，而 JVM 中的類加載器不只一個，它是按照父子關係進行劃分的，至於為什麼要這麼劃分，這會涉及到雙親委派機制，這個稍後便講。具體的父子關係如下：

1. BootStrapClassLoader：最頂層的類加載器，由 C++ 編寫，用於加載 Java 的核心類庫
2. ExtClassLoader：Java 編寫，用於加載 Java 的擴展庫
3. AppClassLoader：Java 編寫，用於加載應用程序所在目錄下的 class 文件
4. 自定義 ClassLoader：Java 編寫，用於定製化加載

由不同類加載器的作用可以知道，不同加載器加載的路徑是不同的。但它們共同的任務都是把字節碼文件加載到運行時數據區中（不同語言實現的類加載器具體加載部分的代碼也會有所差別），更形象地說是把字節碼文件中的二進制 01 數據加載到 JVM 中，並按照運行時數據區進行劃分存放。

2.3、什麼是雙親委派機制，為什麼要制定雙親委派機制？

我們先從一個類的加載順序開始講起：

1. 當需要加載一個類時，如果沒有自定義類加載器，默認會使用 AppClassLoader 進行加載，
2. AppClassLoader 先會查找一下該類是否已經被加載，若已經被加載則返回，若沒有則調用它的父加載器 ExtClassLoader 進行加載，
3. ExtClassLoader 也會查找一下該類是否已經被加載，若已經被加載則返回，若沒有則向上調用它的父加載器 BootStrapClassLoader 進行加載，
4. BootStrapClassLoader 會嘗試加載該類，若加載不到則返回
5. 接著 ExtClassLoader 也會嘗試加載該類，若加載不到則返回
6. 接著 AppClassLoader 也會嘗試加載該類，假設該類被加載到（在項目目錄下），則成功返回，否則拋出 ClassNotFoundException

當然以上過程也可以從自定義的類加載器開始，過程是一樣的。這種先委派父加載器進行加載的機制就是雙親委派機制。

為什麼不直接加載，而是往上委派雙親加載呢？

1. 因為內存資源是寶貴的，如果一個類已經加載過一次了，也就沒有必要再加載一份相同的拷貝在內存中了。為了保證一個類只被加載一次，加載類時就會從最頂層的父類加載器開始加載，只要加載過了，在後續需要用的時候就會返回已經加載過的 class 文件。
2. 為了保證安全性和穩定性。Java 自身是有許多核心類的，這些類都通過頂層的父加載器進行加載，保證運行的時候用的是 Java 系統自己的類。如果沒有雙親委派機制保證，用戶自己也可以編寫一些系統類並用自己編寫的類加載器進行加載，那麼就會導致Java 自身的系統類和用戶編寫的類混在一起，破壞了 Java 程序執行的安全性和穩定性。

2.4、額外：談談 Java 中的反射機制

在問到類加載，JVM 等話題時難免會問到反射機制，這裡補充一下：

反射是 Java 中一個很強大的機制，要說清楚反射還得結合上面說到的 JVM 結構去談。

由於類加載器會把整個 .class 文件加載進運行時數據區，.class 文件中包含了一個類的字段，構造函數，以及各種方法，Java 允許我們在程序中通過反射的方式直接操作這些數據。

<code>//比如我們可以根據類的限定類名獲得一個類的實例對象
Class cc = Class.forName("xx.xx.Demo");
Demo demo = (Demo)cc.newIntance();

//獲取並設置一個類的私有字段
Field name = cc.getDeclaredFied("name");
name.setAccessible(true);
name.set(demo, "Zhang san");

//或者調用一個類的方法（公有/私有）
Method sayHi = cc.getMethod("sayHi", String.class);
sayHi.invoke(demo, "Hello");
/<code>

總結一句就是字節碼中的類信息被加載進了運行時數據區，Java 允許我們在程序中直接操作這些類信息。

為什麼說 Java 的反射機制強大呢？這裡就要說到 Spring 框架了。不知道 Java 的反射強大，總該知道 Spring 框架的強大了吧，Spring 就是基於反射實現的。舉個例子：Spring 中最核心的概念莫過於控制反轉了，通俗的解釋就是把對象的生命週期交給框架管理，而不是由程序員管理。既然是交給框架管理對象，那創建對象就不能通過 new 關鍵字實現了，而是由框架通過反射創建，同理對象中方法的調用也由框架通過反射進行調用。

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