JVM-类加载子系统

2024-04-11 09:16:01

 

类加载子系统

1.JVM内存结构图

JVM-类加载子系统
注意：方法区只有HotSpot虚拟机有

2.什么是类加载子系统

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。当中的类加载器只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine(执行引擎)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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举例来说类加载子系统就像是一个*快递站,当快递被打包好(编译后)发送过来的时候,去进行接收,首先收到快递看是什么类型的快递(顺丰,邮政等),不同的快递由不同的人员去接收(不同的类由不同的加载器去加载),接收完成后要进行验证,看是不是有什么损坏(链接阶段----验证),当一切无误后为该快递贴上取货码(链接阶段----准备:初始化一些信息比如类变量),再然后查看快递所要去往的地方,由快递员去派送(链接阶段----解析:将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程),到达目的快递站后交由本地快递站进行处理(进入到初始化阶段),快递可以由快递站直接送往顾客家里(类的被动使用),也可以由顾客主动来领(类的主动使用例如:创建类的实例,调用类的静态方法等).

当然在类的加载阶段还有双亲委派机制,在后面会提到.

2.1 加载阶段

2.1.1 类加载器ClassLoader
  • class file(编译后的文件)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。
2.2.2 类加载阶段过程
public class Loader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("谢谢ClassLoader加载我....");
    }
}

对于上面的代码他的加载过程是什么样呢?

  • 首先要想执行 main() 方法（静态方法）就需要先加载main方法所在类 Loader
  • 如果加载成功,则进行链接、初始化等操作。完成后调用 Loader类中的静态方法 main
  • 加载失败则会抛出异常
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2.2 链接阶段

链接分为三个子阶段：验证 -> 准备 -> 解析

2.2.1 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。

比如说如果你查看java编译后的字节码文件就会发现,它们的开头都是CAFE BABE(很多人称之为咖啡宝贝),如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过。

2.2.2 准备(Prepare)
  • 为类变量（static变量）分配内存并且设置该类变量的默认初始值
  • 当然这里不包含用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
  • 同时要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

举例来说 查看编译后的文件
编译前

package com.Demo;

public class ClassInitTest {
    public static int num = 3;

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

 

编译后

public com.Demo.ClassInitTest();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=1, locals=1, args_size=1
         0: aload_0    //可以看到在初始化阶段默认赋了初值为0
         1: invokespecial #1                 
         4: return
      LineNumberTable:
        line 3: 0
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0       5     0  this   Lcom/Demo/ClassInitTest;



 static {};
    descriptor: ()V
    flags: (0x0008) ACC_STATIC
    Code:
      stack=1, locals=0, args_size=0
         0: iconst_3    //在初始化阶段才赋值为了3
         1: putstatic     #3                  // Field num:I
         4: return
      LineNumberTable:
        line 4: 0
}

 

2.2.3 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

通过反编译class文件可以查看到符号引用

　#1 = Methodref          #6.#23         // java/lang/Object."<init>":()V
  #2 = Fieldref           #24.#25        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
  #3 = Fieldref           #5.#26         // com/Demo/ClassInitTest.num:I
  #4 = Methodref          #27.#28        // java/io/PrintStream.println:(I)V
  #5 = Class              #29            // com/Demo/ClassInitTest
  #6 = Class              #30            // java/lang/Object
  #7 = Utf8               num
  #8 = Utf8               I
  #9 = Utf8               <init>
  #10 = Utf8               ()V
  #11 = Utf8               Code
  #12 = Utf8               LineNumberTable
  #13 = Utf8               LocalVariableTable
  #14 = Utf8               this
  #15 = Utf8               Lcom/Demo/ClassInitTest;
  #16 = Utf8               main
  #17 = Utf8               ([Ljava/lang/String;)V
  #18 = Utf8               args
  #19 = Utf8               [Ljava/lang/String;

 

2.3 初始化阶段

类的初始化时机有:

  • 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(“TestClass”)）
  • 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）

clinit()方法

  • 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。也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法
  • <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<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

3.类加载器的分类

JVM严格来讲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
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可以看到所有ClassLoader下的所有派生类都是属于自定义类加载器,包括扩展类加载器(Extension ClassLoader)以及系统类加载器(Application ClassLoader)

在程序中我们最常见的类加载器只有3个分别是ExtClassLoader,AppClassLoader,用户自定义加载器

3.1 虚拟机自带的加载器

3.1.1 启动类加载器

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
  • 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（也称为系统类加载器，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

3.2 用户自定义类加载器

3.2.1 什么时候需要自定义类加载器？
  • 隔离加载类（比如说我假设现在Spring框架，和RocketMQ有包名路径完全一样的类，类名也一样，这个时候类就冲突了。不过一般的主流框架和中间件都会自定义类加载器，实现不同的框架，中间价之间是隔离的）
  • 修改类加载的方式
  • 扩展加载源（还可以考虑从数据库中加载类，路由器等等不同的地方）
  • 防止源码泄漏（对字节码文件进行解密，自己用的时候通过自定义类加载器来对其进行解密）
3.2.2 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。
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 {
                //defineClass和findClass搭配使用
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
    //自定义流的获取方式
    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();
        }
    }
}

 

4.双亲委派机制

4.1 什么是双亲委派机制

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，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

4.2 双亲委派机制原理

  1. 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；
  2. 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；
  3. 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。
  4. 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
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例如:
我们自己建立一个 java.lang.String 类，写上 static 代码块

package java.lang;
public class String {
    static{
        System.out.println("自定义的String类的静态代码块");
    }
}

 

在另外的程序中加载 String 类

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

 

输出结果：

hello String

 

并没有打印自定义的String 类中的语句,所以系统加载的还是JDK 自带的 String 类.

把刚刚的类改一下

package java.lang;
public class String {
    static{
        System.out.println("自定义的String类的静态代码块");
    }
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello String");
    }
}

 

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由于双亲委派机制会一直找父类加载器，所以最后找到了Bootstrap ClassLoader(引导类加载器)，Bootstrap ClassLoader找到的是 JDK 自带的 String 类，在那个String类中并没有相应的 main() 方法，所以就报了上面的错误。

4.2.3 双亲委派机制优势

  • 避免类的重复加载
  • 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

5.沙箱安全机制

  1. 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。
  2. 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.补充

如果要判断两个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：

  1. 类的完整类名必须一致，包括包名
  2. 加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同
  3. 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

    1. 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
    2. 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
    3. 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
上一篇：Java 类加载器（ClassLoader）的实际使用场景有哪些？


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