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🚀 Java后端面试必备技能列表

Java Version：如果没有特别说明，那么默认Java8，hotspot虚拟机。

这一篇讲下你编写的.Java文件，最终是如何被翻译成机器码在CPU上执行的，顺便讲明白了四个常问面试八股：

  1. Java源代码如何翻译成机器码？ — Java编译原理
  2. Java源代码在JVM中是如何运行的？ — Java执行过程
  3. Java类是如何加载到JVM的？ — JVM类加载机制
  4. Java如何保证类加载的唯一性和安全性？ — Java双亲委派模型

高级语言

Java是一门高级开发语言。不是说learning Java OR be a Javaer高级，也不是说哪种开发语言好哪种不好，而是语言的抽象程度。记住一句话：越需要考虑操作系统的编程语言级别越低。

举个例子

在stackoverflow看到一个很好的回答，他通过对比不同开发语言特点，非常直观的让你感受到开发语言的高级和低级：
img_20240729170224

各自特点

低级语言

一般都需要较长的开发时间，对操作系统和硬件指令有一定的要求，需要直接对底层操作，代码执行效率高。

高级语言

对开发人员更友好，通常借助高层抽象底座（比如JVM）提高开发效率，但是代码执行效率不如低级语言。

Java编译原理

编译，就是把便于人书写、理解、记录的高级语言翻译成计算机能够运行的低级语言。

Javaer执行 -> Java源代码（.java） -> Java字节码（.class）-> 机器码（01代码） -> OS执行

Java源代码

请使用宇宙最强IDEA开发Java项目！！！你编写的Java代码是一个TestDemo.java文件，这就是源码，一般放在src目录下。
这个文件实际上就是一种高级语言表达方式，他符合Java语言规范，他通过Java语法表达程序要做什么。但是这个.java对于JVM来讲它是不能执行的，他只能执行.class文件。
所以接下来就需要看下Java源码是如何变成字节码文件的：
TestDemo.java ➡️ TestDemo.class

Java字节码

一个.java文件是通过执行编译命令生成.class文件的。当我们编写完.java文件，在IDEA中点击run或者debug后，如果代码没有错误，那程序就会在自动编译后直接运行。下面就是编译之后的.class文件，如果你使用IDEA打开会发现就是.java里面的内容，因为IDEA会反编译：
image
编译的过程实际上是执行了javac，可以指定很多指令。对于使用IDEA编译来说，他自动做了很多其他工作，比如分析、加载项目配置，构建类路径，调用javac编译，执行增量编译等。

javac的原理

执行javac后，源代码被编译成.class文件，也就是字节码文件，字节码文件是JVM执行的文件，由JVM再解释执行（翻译成机器码）。下面这幅图，描述了.java变成.class都做了哪些事：
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整个编译过程，由前端翻译和后端翻译组成：

前端编译

执行javac命令，经过词法分析、语法分析、语义分析等，生成字节码（.class）。字节码是JVM的中间表示，平台无关，便于移植。

后端编译

由JVM内部执行，负责优化字节码并转换为机器码，以提高运行时执行效率。具体来讲，JVM通过解释器逐条执行字节码指令，将字节码翻译成相应的机器码执行，并维护运行状态（程序计数器，本地变量表，操作数栈等）。在解释器执行过程中，JVM会监测字节码执行频率，识别热点代码（频繁执行的代码），使用JIT编译器将其直接编译成机器码并优化（内联分析分析、逃逸分析等），放在内存中供后续直接使用。

生成机器码

无论是解释器还是JIT编译器，最后都会将字节码生成机器码，最终在CPU上面执行，包含具体的寄存器操作和方法调用等。

Java执行过程

看完上面的内容，你已经知道了一个.java文件首先要经过前端编译生成字节码（.class），然后再由JVM经过后端编译生成机器码，实现高级语言到低级语言的转变，最终运行在CPU上。这个过程大概可以用下面这幅图表示：
jvm0919

执行过程

整个执行过程大致可以描述为三个阶段：
1..java源代码被编译为.class文件（前端编译）
2.类加载器ClassLoader负责将.class文件动态加载到JVM运行时数据区域。（上篇有详细讲解JVM各区域作用）
3.执行引擎对字节码文件`.class``解释和执行，并进行内存管理、垃圾回收、栈帧管理等，期间会通过本地方法接口（JNI）调用本地方法库，执行优化代码等。（后端编译）

tips：
JVM通过本地方法接口（JNI）可以访问本地方法库，本地方法库一般都不是java代码写的，可能是C、C++等，提供了操作系统和系统资源相关的方法。

类加载器

上面提到：JVM通过类加载器加载.class文件，那加载过程是怎样的呢？首先放出一幅图，下面再解释：
class0919

类加载过程

类加载过程是将.class文件导入JVM并准备好执行的过程。类的加载主要在图中前三个阶段：加载➡️链接➡️初始化，各阶段的作用如下：
加载
查找和导入类文件：JVM通过类的全限定名（如com.example.MyClass）来查找对应的类文件（.class文件）。
生成Class对象：将类文件的二进制数据读入内存，并在内存中创建一个java.lang.Class对象来表示这个类。
链接 — 分为三个步骤
验证：确保类文件的字节码符合JVM规范，并且不会破坏JVM的安全性。验证过程包括格式验证、语义验证等。
准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值（如零值或空值）。此时不执行任何Java代码，只是分配内存。
解析：将类、方法、字段等符号引用转换为直接引用。符号引用是指在类文件中使用的字符串形式的引用，而直接引用是指在内存中的实际地址。
初始化
执行类构造器<clinit>方法，包括静态变量的初始化和静态代码块的执行。

类生命周期

上面的图完整的展示了类的生命周期：从类的加载到类的销毁：
加载➡️链接➡️初始化➡️使用➡️销毁。

双亲委派模型

类加载过程中需要保证不会重复加载，还要保证核心类库加载的安全性，这些要如何保证呢？⬇️⬇️⬇️

Java类加载器通过双亲委派模型来查找和加载类文件，确保类的唯一性和安全性。
sqwp0919
双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。
Java采用双亲委派模型来加载类，即类加载器在加载一个类时，首先会委托给父类加载器加载。如果父类加载器无法找到该类，才会尝试自己加载。这种机制可以避免类的重复加载，并确保核心类库的安全。