JVM-类加载器

2024-04-11 08:47:55

类加载器-学习笔记

类加载器

一. jvm架构简图

JVM-类加载器

  • class文件：称为字节码文件
  • 类加载子系统：将class文件加载到内存，生成class对象，同时对必要的静态属性做一些初始化（在方法区体现）
  • 执行引擎：执行字节码指令

JVM-类加载器

二. 类加载器

JVM-类加载器

  • 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（验证阶段）
    • 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）
a. 类加载过程

JVM-类加载器

  1. 加载（Loading）：
    • 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.calss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calss文件被反编译的保护措施

  1. 链接（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

  • 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，准备阶段会显示初始化
    • 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

  • 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
  1. 初始化（Initialization）：
    • 初始化阶段就是执行类构造器方法 （）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
    • （）不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的()）
    • 若该类具有父类，JVM会保证子类的()执行前，父类的()已经执行完毕
    • 虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁
b. 类加载器的分类

  • 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虚拟机规范却没这么定义，而是将所有派生与抽象类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

JVM-类加载器

ps：这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是父类的继承关系

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:扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);   //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5cad8086

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

        //对于用户自定义类来说:默认使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //String 类使用引导类加载器进行加载的---> java的核心类库都是由引导类加载器进行加载的
        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++语言实现的，嵌套在JVM内部
    • 它用来加载JAVA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
    • 并不继承子java.lang.ClassLoader，没有父加载器
    • 加载扩展类和应用程序类加载器，并制定为他们的父类加载器
    • 处于安全考虑，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$ClassLoader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ClassLoader#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());
        }

        //从上面的路径中随便选择一个类,来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);  //null

        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);
        }
      
         //从上面的路径中随便选择一个类,来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@63947c6b
    }
}

  • 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

      1. 隔离加载类(在某些框架中使用中间件，中间件跟应用之间是隔离的，需要把类加载到不同的环境当中，确保应用的jar包跟中间件的jar包是不冲突的，避免类的冲突)
      2. 修改类加载的方式（需要的时候再动态加载，引导类加载器必须）
      3. 扩展加载源
      4. 防止源码泄露（加密解密）

    • 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，而是建议把自定义加载逻辑写在findClass()方法中
      3. 在编写自定义加载器时，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J取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁
public class CustomerClassLoader extends ClassLoader{
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
        try{
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);//已二进制流的方式读进内存形成字节数组
            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
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密,则需再此方法中进行解密操作
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomerClassLoader customerClassLoader = new CustomerClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One",true,customerClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
c. ClassLoader
  • CLassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包含启动类加载器）
方法名称 描述
getParent() 返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name) 加载名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
findClass(String name) 查找名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
findLoadedCladd(String name) 查找名称为name的已经被加载过的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
defineClass（String name, byte[] b,int off, int len） 把字节数组b中的内容转换为一个java类，返回结果为java.lang.Class类的实例
resolveClass(Class<?> c) 链接指定的一个java类

sun.misc.Launcher它是一个java虚拟机的入口应用

  • 获取ClassLoader的途径

    描述 方法
    获取当前类的CLassLoader clazz.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 DriverManage.getCallerClassLoader() 
    public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //方式一
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);  //null

            //方式二
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);  //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

            //方式三
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);  //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5cad8086
            
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
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