JVM教程-2-类加载子系统

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原创 2023-11-30 11:37:19 1.2k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

类加载机制和双亲委派模型阅读详情

内存结构概述

转载：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ
参考：https://gitee.com/moxi159753/LearningNotes/tree/master/JVM

简图：

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详细图：

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类加载器与类的加载过程

类加载器子系统作用

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类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识。
ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）

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classfile存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例。
class file加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。
在.class文件->JVM->最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器Class Loader），扮演一个快递员的角色。

类的加载过程

例子：HelloLoader某个类
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完整的流程图如下所示

加载阶段Loading(类的加载过程和该加载阶段不是同一个加载，整体和部分的关系)

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

加载class文件的方式(补充说明)：

从本地系统中直接加载
通过网络获取，典型场景：Web Applet
从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础
运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术
由其他文件生成，典型场景：JSP应用从专有数据库中提取.class文件，比较少见
从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

链接阶段Linking

验证 Verify:

目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全。
主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。
例子：

工具：Binary Viewer，安装包PXBinaryViewerSetup.exe
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准备 Prepare：

为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值；
这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化；
这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到java堆中。
列子：

private static int a = 1; // prepare(准备)：a = 0 --> initial(初始化): a = 1
public static void main(String[] args) {
   System.out.println(a);
}

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解析 Resolve：

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行。
符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT _Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等
列子：

初始化阶段(任何一个类在声明后，都有生成一个构造器，默认是空参构造器)

初始化阶段就是执行类构造器法<clinit>()的过程。
此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。
构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
占位<clinit>()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）
若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕。
虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁。

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public class DeadThreadTest {

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t1开始");
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            new DeadThread();
        }, "t1").start();
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t2开始");
            try {
                Thread.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            new DeadThread();
        }, "t2").start();
    }

    static class DeadThread {
        static {
            if (true) {
                while (true) {
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 初始化当前类");
                }
            }
        }
    }
}
 // 保证一个类的<clinit>（）方法在多线程下被同步加锁
 // 当前t1/t2线程访问clinit方法时，加锁，另外的线程/类不能
 //2	 初始化当前类
 //t2	 初始化当前类
 //t2	 初始化当前类

类加载器分类

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JVM支持两种类型的类加载器。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）。
四者之间是包含关系，不是上层和下层，也不是子系统的继承关系。

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        // AppClassLoader系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);
        System.out.println(systemClassLoader.hashCode());
        //jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@78308db1
        //2016447921

        // 系统类加载器的上层   扩展类加载器
        ClassLoader systemClassLoaderParent = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(systemClassLoaderParent);
        System.out.println(systemClassLoaderParent.hashCode());
        //jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@2d98a335
        //764977973

        // 扩展类加载器的上层  引导类  null(并不是java语言写的)
        ClassLoader systemClassLoaderParentParent = systemClassLoaderParent.getParent();
        System.out.println(systemClassLoaderParentParent);
        //null

        // 当前类的自定义加载器-系统类加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        System.out.println(classLoader.hashCode());
        //jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@78308db1
        //2016447921

        // String类的加载器-根加载器
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);
        // null
    }
}

虚拟机自带的加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。
它用来加载Java的核心库（JAVAHOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类
并不继承自ava.lang.ClassLoader，没有父加载器。
加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。(JKD1.9之后为PlatformClassLoader)
派生于ClassLoader类
父类加载器为启动类加载器
从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
派生于ClassLoader类
父类加载器为扩展类加载器
它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载
通过classLoader.getSystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器

用户自定义类加载器

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。为什么要自定义类加载器？

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏
用户自定义类加载器实现步骤：
开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写LoadClass()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖Loadclass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass()方法中
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承URIClassLoader类，这样就可以避免自己去编写findclass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。

public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("*********启动类加载器************");
        // 获取BootstrapClassLoader 能够加载的API的路径
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL url : urls) {
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }

        // 从上面路径中，随意选择一个类，来看看他的类加载器是什么：得到的是null，说明是  根加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
    }
}

classLoader的使用说明

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获取ClassLoader的途径

获取当前ClassLoader：class.getClassLoader()
获取当前线程上下文的ClassLoader：Thread.currentThread().getContextClassLoader()
获取系统的ClassLoader：ClassLoader.getSystemClassLoader()
获取调用者的ClassLoader：DriverManager.getCallerClassLoader()

//获取Class类的实例：
//1 若已知具体的类， 通过类的class属性获取, 该访法最为安全可靠,程序性能最高。
//Class class = Person.class;
//2 已知某个类的实例， 调用该实例的getClass()方法获取Class对象
//Class class = person.getClass();
//3 已知一 个类的全类名，且该类在类路径下，可通过Class类的静态方法forName()获取可能抛出
//Class class = Class.forName("demo01. Student");

public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
    // 获取当前ClassLoader：class.getClassLoader()
    ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
    System.out.println(classLoader);
    // null

    // 获取当前线程上下文的ClassLoader
    ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    System.out.println(contextClassLoader);
    // jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@78308db1

    // 获取系统的ClassLoader ClassLoader.getSystemClassLoader()
    ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    System.out.println(systemClassLoader);
    //jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@78308db1
}

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双亲委派机制

说明

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。

工作原理

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双亲委派机制举例

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候，首先我们需要知道的是 jdbc.jar是基于SPI接口进行实现的，所以在加载的时候，会进行双亲委派，最终从根加载器中加载 SPI核心类，然后在加载SPI接口类，接着在进行反向委派，通过线程上下文类加载器进行实现类 jdbc.jar的加载。
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双亲委派机制的优势

避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心API被随意篡改

1 自定义类：java.lang.String（新建一个java.lang.String，跟由根加载器加载的String类同包命，同类名）
// 根加载不加载此类
2 自定义类：java.lang.ShkStart
//原因: java.lang.ClassNotFoundException: java.lang.ShkStart

其他

如何判断两个class对象是否相同

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

类的完整类名必须一致，包括包名。
加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同。

类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为：王动使用和被动使用。主动使用，又分为七种情况：

创建类的实例
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法I
反射（比如：Class.forName（“com.atguigu.Test”））
初始化一个类的子类
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
JDK7开始提供的动态语言支持：
java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF getStatic、REF putStatic、REF invokeStatic句柄对应的类没有初始化，则初始化

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