JVM详解(2)——类加载器子系统

2024-04-11 09:06:13

生命的过程，无论是阳春白雪，青菜豆腐，我都得尝尝是什么滋味，才不枉来走这么一遭。
——三毛《撒哈拉沙漠》

类加载器子系统

1.内存结构概述
2.类加载子系统
3.类加载器的分类
4.双亲委派机制(面试常问)
5.沙箱安全机制
6.其他

1.内存结构概述

假设我们想自己手写一个Java虚拟机的话，必须考虑哪些结构?

类加载器
执行引擎

2.类加载子系统

2.1 类加载器子系统的作用

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）

2.2 类加载器ClassLoader角色

class file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。

2.3 类的加载过程

/**
 * @author zrc
 * @create 2021-2-6 7:57 上午
 */
public class HelloLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("谢谢ClassLoader加载我....");
        System.out.println("你的大恩大德，我下辈子再报！");
    }
}

它的加载过程是怎么样的呢?

执行 main( ) 方法（静态方法）就需要先加载承载类 HelloLoader
加载成功，则进行链接、初始化等操作，完成后调用 HelloLoader 类中的静态方法 main
加载失败则抛出异常

完整的流程图如下所示：加载 --> 链接（验证 --> 准备 --> 解析） --> 初始化

2.3.1 加载(Loading)阶段

加载

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

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

2.3.2 链接(Linking)阶段

链接分为三个子阶段：验证 --> 准备 --> 解析

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。
使用 BinaryViewer 查看字节码文件，其开头均为 CAFE BABE ，如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过

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好了默认值，准备阶段会显式初始化
注意：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

举例：

变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0，在初始化阶段会被赋值为 1

public class HelloApp {
    private static int a = 1;   //prepare：a = 0 ---> initial : a = 1

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

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

符号引用

反编译 class 文件后可以查看符号引用

2.3.3 初始化(Initialization)阶段

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。也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有<clinit>( )方法；如果当前类不存在static变量，那么它的字节码文件是不会存在<clinit>( )
<clinit>()方法中的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<init>()）
若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的()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

IDEA安装 JClassLib 插件

当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法

/**
 * @author zrc
 * @create 2020-12-09 7:50 上午
 */
public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;

    static {
        num = 3;
    }
    

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);
    }
}

如果当前类不存在static变量，那么它的字节码文件是不会存在<clinit>( )

public class ClinitTest {
    private int a = 1;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

}

<clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行


public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;

    static {
        num = 3;
        number = 20;
        System.out.println(num);
        //System.out.println(number);    //报错：非法的前向引用（可以赋值，但不能调用）
    }

    //linking之prepare：number = 0 --> initial:20 --> 10
    private static int number = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num); //3
        System.out.println(ClassInitTest.number); //10
    }
}

静态变量 number 的值变化过程如下
- 准备阶段时：默认初始化 0
- 执行静态代码块：20
- 执行静态变量初始化：10

构造器是虚拟机视角下的<init>()

public class ClinitTest {
    //任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
    private int a = 1;
    private static int c = 3;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

    public ClinitTest(){
        a = 10;
        int d = 20;
    }

}

在构造器中：
- 先将类变量 a 赋值为 10
- 再将局部变量赋值为 20

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

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
    }
}

如上代码，加载流程如下：
- 首先，执行 main( ) 方法需要加载 ClinitTest1 类
- 获取 Son.B 静态变量，需要加载 Son 类
- Son 类的父类是 Father 类，所以需要先执行 Father 类的加载，再执行 Son 类的加载

虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁

public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            DeadThread dead = new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        };

        Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(r, "线程2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class DeadThread {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
            while (true) {

            }
        }
    }
}

程序卡死，分析原因：
- 两个线程同时去加载 DeadThread 类，而 DeadThread 类中静态代码块中有一处死循环
- 先加载 DeadThread 类的线程抢到了同步锁，然后在类的静态代码块中执行死循环，而另一个线程在等待同步锁的释放
- 所以无论哪个线程先执行 DeadThread 类的加载，另外一个类也不会继续执行

3.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

为什么 ExtClassLoader 和 AppClassLoader 都属于自定义加载器

规范定义：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

ExtClassLoader 继承树
AppClassLoader 继承树

/**
 * 注意：getParent() 只是获取上层的加载器，并不是继承关系
 */
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@61bbe9ba

        //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的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1); //null

    }
}

我们尝试获取引导类加载器，获取到的值为 null ，这并不代表引导类加载器不存在，因为引导类加载器是由 C/C++ 语言构成的，所以我们是获取不到
两次获取系统类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明系统类加载器是全局唯一的

3.1 虚拟机自带的加载器

3.1.1 启动类加载器(引导类加载器)

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（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，并作为他们的父类加载器（当他俩的爹）
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

3.1.2 扩展类加载器

扩展类加载器（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

3.1.3 系统类加载器

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的
通过classLoader.getSystemclassLoader( )方法可以获取到该类加载器

代码说明

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); //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

    }
}

System.out.println(classLoader); //null 再次证明我们无法获取到启动类加载器

**********启动类加载器**************
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/classes
null
***********扩展类加载器*************
/Users/xiexu/Library/Java/Extensions:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext:/Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/Extensions:/System/Library/Java/Extensions:/usr/lib/java
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@d716361

加载器的执行流程图

3.2 用户自定义类加载器

为什么需要自定义类加载器？

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。

那为什么还需要自定义类加载器？
- 隔离加载类
- 修改类加载的方式
- 扩展加载源
- 防止源码泄露

如何自定义类加载器？

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

代码举例：

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();
        }
    }
}

3.3 关于 ClassLoader

ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）
sun.misc.Launcher 它是一个java虚拟机的入口应用

3.3.1 获取 ClassLoader 的途径

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {

            //1.Class.forName().getClassLoader()
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader); // String 类由启动类加载器加载，我们无法获取

            //2.Thread.currentThread().getContextClassLoader()
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

            //3.ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent()
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2); //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@61bbe9ba

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

4.双亲委派机制(面试常问)

4.1 双亲委派机制原理

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 文件加载到内存中生成 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
- 如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；
- 如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器；
- 如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。
- 父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类，如果将加载任务分配至系统类加载器也无法加载此类，则抛出异常

4.2 双亲委派机制代码示例

举例一：

我们自己定义一个java.lang包，在其下面定义一个String类，里面声明了静态代码块

package java.lang;

public class String {

    static {
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }

}

在一个测试类中加载String类，看看加载的String类是JDK自带的，还是我们自己编写的


public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new java.lang.String();
        System.out.println("你好，世界");
    }
}

结果：程序并没有输出我们静态代码块中的内容，可见仍然加载的是 JDK 自带的 String 类

举例二：

在我们自己定义的 String 类中整个 main( ) 方法

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");
    }

}

原因：由于双亲委派机制，我们的String类是由引导类加载器加载的，而引导类加载器并没有main方法，所以会报错

举例三：

SPI接口是由引导类加载器加载的，接口具体的实现类是由线程上下文类加载器加载的，而线程上下文类加载器就是系统类加载器，所以我们在加载的时候，会先进行双亲委派，在引导类加载器加载SPI核心类，然后加载SPI接口，最后在反向委托，通过系统类加载器进行实现类 jdbc.jar 的加载

举例四：

package java.lang;


public class ShkStart {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello!");
    }
}

出于保护机制，java.lang 包下不允许我们自定义类

4.3 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
- 自定义类：java.lang.String 没有调用
- 自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang开头的类）

5.沙箱安全机制

自定义String类时：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。

6.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
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

对类加载器的引用

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

类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为：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(“cn.sxt.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类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化，即不会执行初始化阶段（不会调用 clinit( ) 方法和 init( ) 方法）

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