康师傅讲JVM — 内存与垃圾回收篇 之 No.1 类加载子系统

原创 于 2021-12-05 19:17:56 发布 · 1.6k 阅读 · 0 ·
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#链表 #数据结构 #算法

本文详细解读Java类加载过程，包括类加载器的作用、类加载步骤、双亲委派机制、沙箱安全以及类加载器的分类和获取。重点讲解了狭义加载、链接、初始化和自定义类加载器的使用。

目录

类加载子系统

类加载器子系统作用

类的加载过程 

狭义加载

链接

初始化

类的加载器分类

 启动类加载器 

虚拟机自带的加载器

ClassLoader的常用方法及获取方法

双亲委派机制

沙箱安全机制

其他

判断两个class对象是否为同一个类

JVM要知道一个类型的加载器是什么？因为在解析一个类型到另一个类型的引用，需要保证两个类型的类加载器一致。

Java 程序对类的使用方式：主动使用和被动使用。

类加载子系统

class file 加载到系统内 生成Class对象 、 静态属性做初始化等等 ->主要在方法区

执行字节码指令 -> 执行引擎发挥作用

        虚拟机栈 去局部变量表 取数据、去操作数栈

        创建对象 用到 堆空间

        指令执行下去 需要 程序计数器

        调用c的 需要本地方法栈

堆空间多个线程所共享，存放创建的对象。 

方法区 存放类的信息，一些常量（常量池）、一些方法信息。（只有Hotspot才有）

如果想自己写一个虚拟机，需要考虑的有类加载子系统和执行引擎。

类加载器把字节码按照一定的规则读到内存 然后执行引擎来调用

类加载器子系统作用

  • 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） 

常量池在运行过程中加载到内存里。叫运行时常量池。

自定义类使用的是系统加载器 

类的加载过程 

狭义 VS 广义 （加载）

狭义加载

  1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转为方法区的运行时数据结构
  3. 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 。

补充：加载 .class 文件的方式

  • 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

  1. 验证(Verify)
    1. 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。
    2. 主要包括四种验证，
      1. 文件格式验证
      2. 元数验证
      3. 字节码验证
      4. 符号引用验证。
  2. 准备(Prepare)
    1. 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。
    2. 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
    3. 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。
  3. 解析（ Resolve）：了解一下
    1. 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
    2. 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。
      1. 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。
    3. 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。

初始化

  • 初始化阶段就是执行类构造器方法<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。如果没有就不会有<clinit>()。 
    • package JVM.chapter01;

/**
 * @author ahan
 * @create_time 2021-11-17-5:11 下午
 */
public class StackStruTest {
    private static int num = 1;
    static {
        num = 2;
        number = 20;
    }

    private static int number = 10;// //Linking-->prepare: number=0--> initial: 20-->10
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(num);
        System.out.println(number);
//        2
//        10
    }
}

      声明的静态变量，可以在前面赋值，但是不可以调用。

  • 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
  • <clinit>()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的<clinit>()) 
  • 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。

    • 默认构造器 

      任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器。可能是显示声明，也可能是默认的构造器。

      package JVM.chapter02;

/**
 * @author ahan
 * @create_time 2021-12-01-21:29 下午
 */
public class ClinitTest1 {
    static class Father{
        public static int A = 1;
        static{
            A = 2;
        }
    }

    static class Son extends Father{
        public static int B = A;
    }

    public static void main(String[] args) {
        //加载Father类，其次加载Son类。
        System.out.println(Son.B);//2
    }
}

      init构造器加载 clinit静态属性行为加载

  • 虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁。

    •  

类的加载器分类

  • 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)。
  • 从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是 Java 虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类 ClassLoader 的类加载器都划分为自定义类加载器。
  • 无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有 3个，如下所示：

这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是子父类的继承关系。

Bootstrap ClassLoader 用c和c++实现

下面的都是java语言实现的 

package JVM.chapter02;

/**
 * @author ahan
 * @create_time 2021-12-03-8:01 下午
 */
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //获取其上层：拓展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@6e0be858

        //获取其上层：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null


        //用户自定义类来说
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2


        //证明了String类使用引导类加载器 --》java 的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null
    }
}
  • 用户自定义类来说 默认使用系统类加载器进行加载
  • java 的核心类库都是使用引导类加载器Bootstrap ClassLoader进行加载的

 启动类加载器 

  • 这个类加载使用 C/C ++语言实的，嵌套在 JVM 内部。
  • 用来加载 Java 的核心库（ JAVA HOME/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 java.lang. ClassLoader，没有父加载器。
  • 加载扩展类和应用程序类加载器，并指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。

虚拟机自带的加载器

拓展类加载器(Extension ClassLoader)

  • java 语言编写，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
  • 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.Launcher$AppClassLoader 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 Class Loader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器
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 element : urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:引导类加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        System.out.println("***********扩展类加载器*************");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }

        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:扩展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

    }
}

**********启动类加载器**************
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/classes
null
***********扩展类加载器*************
/Users/scott/Library/Java/Extensions:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_261.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext:/Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:/System/Library/Java/Extensions:/usr/lib/java
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7229724f

用户自定义类加载器

  • 在 Java 的日常应用程序开发中，类的加几乎是由上述 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(中间件都有自己依赖的jar包 出现类的冲突)
    • 修改类加载的方式（bootstrap ）
    • 扩展加载源
    • 防止源码泄漏

用户自定义类加载器实现步骤：

  1. 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
  2. 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
  3. 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 URLClassLoader 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。 
package JVM.chapter02;

import java.io.FileNotFoundException;

/**
 * 自定义用户类加载器
 * @author shkstart
 * @create 2019 下午 12:21
 */
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if(result == null){
                throw new FileNotFoundException();
            }else{
                return defineClass(name,result,0,result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name){
        //从自定义路径中加载指定类:细节略
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密，则需要在此方法中进行解密操作。
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One",true,customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

ClassLoader的常用方法及获取方法

ClassLoader 类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassIoader（不包括启动类加载）

  

package JVM.chapter02.java1;

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 上午 10:59
 */
public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);
            //2.
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);
            //3.
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);

            //            null
            //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
            //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@6ff3c5b5

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

双亲委派机制

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，ava 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。

 

  • Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java、 javax、sun 等开头的类。
  • 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。
  • 剩余的就是系统类加载器 APP
package JVM.chapter02.java.lang;

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 上午 11:40
 */

public class String {
    //
    static{
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
    //错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello,String");
    }
}

接口是由引导类加载器加载，具体接口的实现类是由第三方的，线程上下文加载器加载ContextClassLoader，也就是系统类加载器AppClassLoader 加载。

 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
    • 自定义类：java.lang.String;
    • 自定义类：java.lang.shkStart; 

沙箱安全机制

自定义 string 类，但是在加载自定义 string 类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载 jdk 自带的文件（rt.jar 包中 java\lang\ String. class），报错信息说没有 main 方法，就是因为加载的是 rt.jar 包中的 string 类。这样可以保证对 java 核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

其他

判断两个class对象是否为同一个类

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。

换句话说，在 JVM 中，即使这两个类对象（ class 对象）来源同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的 ClassLoader 实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

JVM要知道一个类型的加载器是什么？因为在解析一个类型到另一个类型的引用，需要保证两个类型的类加载器一致。

        JVM 必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么 JVM 会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM 需要保证这两个类型的类加载器是相同的。 （其实是全部都记录，只是引导类加载器的引用类型是null，就不记录了）

Java 程序对类的使用方式：主动使用和被动使用。

  • 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

除了以上七种情况，其他使用 Java 类方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。

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