JVM学习第二节类加载器子系统

2023-11-27 08:05:52

类加载器子系统

内存结构概述

内存简图

比较详细的内存结构图

类的加载器与类的加载过程

概述

类加载器子系统负责从文件或者网络中加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识 cafe babe 是在链接阶段的验证校验。
ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则有Execution Engine决定。
加载的类信息存放于一块称为方法区的内存文件，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)。

类加载器ClassLoader角色分析

1、class file 存在于本地硬盘上，可以理解为模版，而最终这个模版在执行的时候需要加载到JVM当中，来根据这个模版实例化出n个一摸一样的实例。
2、class file 加载到JVM中，被称为DNA元数据模版，放在方法区。
3、在.class文件 -> JVM -> 最终成为元数据模版，此过程需要一个运输工具(类装载器 Class Loader)扮演一个快递员的角色

类的加载过程

有一段简单的代码，它是如何被加载并执行的？

public class HelloLoader {

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

}

类的加载过程示意简图

类的加载过程阶段

加载过程示意简图

阶段一：加载(Loading)
这里的加载是狭义上的加载，可以大致总结为3个步骤
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化为方法区（元空间）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
1、从本地系统中直接加载
2、通过网络获取，典型场景 Web Applet
3、从zip压缩包读取，成为日后jar、war格式的基础。
4、运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术。
5、由其它文件生成，比如JSP应用
6、从专有数据库中提取.class文件。
7、从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施。
阶段二：链接(Linking)
链接阶段又可以分为3个子阶段
1、验证（Verify）
1.1 目的是确保Class文件的字节流包含信息符合当前虚拟机的需求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身的安全。
1.2 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。
2、准备（Perpare）
2.1 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。
2.2 这里不包含final修饰的static，因为final在编译时就会分配了，准备阶段会显示初始化。
2.3 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，而实例变量时会随着对象一起分配到Java堆中。
3、解析（Resolve）
3.1 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
3.2 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后在执行。
3.3 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。
3.4 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。
阶段三：初始化(Initialization)
1、初始化阶段就是执行类构造器方法()的过程。
2、此方法不需要定义，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。
3、构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
4、()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的()）
5、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。
6、虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁。

类加载器的分类

概述

1、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) JVM虚拟机中规范中的分类
2、从概念上讲，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样定义，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，在程序中常见的类加载器有3个，入下图所示

这里的四者之间的关系是包含关系，不是上下层，也不是子父类的继承关系

package com.zjt.jvm.demo.chapter02;

/**
 * 类的加载器测试
 * @author zjt
 * @date 2022-01-20
 */
public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 获取最下层系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        // 打印一下系统类加载器的引用 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        System.out.println(systemClassLoader);

        // 获取系统类加载器的上层 扩展类加载器 打印引用 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3941a79c
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);

        // 试图获取扩展加载器的上层 null 获取不到
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);

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

        // 试图获取 String类的类加载器 获取不到 null -->使用的是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加载的
        ClassLoader strClassLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(strClassLoader);

    }
}

虚拟机自带的类加载器

1、启动类加载器(引导类加载器 Bootstrap ClassLoader)
启动类加载器使用C/C++语言实现，嵌套在JVM内部。它就是JVM的一部分。
它用来加载Java的核心库，(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar、sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类。
它不继承java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
它用于加载扩展类和应用类加载器，并指定为他们的父类加载器。
出于安全考虑，启动类加载器仅加载包名为java、javax、sun等开头的类。
2、扩展类加载器(Extension ClassLoader)
由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader具体实现，
派生于ClassLoader类。
父类加载器为启动类加载器。
从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库（或从JDK的安装目录jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库），如果用户创建的jar文件也放在此目录下，也会由扩展类加载器进行加载。
3、系统类加载器（应用程序类加载器 AppClassLoader）
由sun.misc.Launcher$AppClassLoader具体实现
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。
它是程序默认的类加载器，一般来说，Java的应用类都是由它来完成加载
通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到系统类加载器。


import com.sun.net.ssl.internal.ssl.Provider;
import sun.misc.Launcher;
import sun.security.ec.CurveDB;

import java.net.URL;

/**
 * @author zjt
 * @date 2022-01-20
 */
public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("启动类加载器");
        // 获取BootstrapClassLoader可以加载的类库路径 BootstrapClassLoader本身获取不到
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element : urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
		// com.sun.net.ssl.internal.ssl.Provider 的类的加载器
        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");
        System.out.println(extDirs);
		// 获取sun.security.ec.CurveDB 的类的加载
        ClassLoader loader = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(loader);

    }
}

双亲委派机制

双亲委派机制(parents delegation model 译为父类委托模型可能更好理解，双亲的翻译有些迷惑)。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机制，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。

双亲委派机制举例

package java.lang;

/**
 * 错误示范
 * 根目录下新建 java.lang包，测试双亲委派机制
 * java.lang 包下的类是由引导类加载器加载,
 * JDK 提供的String 并没有定义 main方法，所以是无法执行成功的
 * @author zjt
 * @date 2022-01-22
 */
public class String {
	
	/**
	* 系统类加载器 是不处理自定义的java.lang.String类的
	*/
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World");
    }

}

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

双亲委派机制的工作原理
1、如果一个类加载器接收到了类加载请求，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父类加载器则进一步向上委托，依次类推，请求最终到达顶层的启动（引导）类加载器，
3、如果父类加载器可以完成类的加载任务，就成功返回，若父类加载器无法完成此加载任务，子类加载器才会尝试自己去加载。

双亲委派机制的优势
1、避免类的重复加载
2、保护程序安全，防止核心API被随意篡改
举例

package java.lang;

/**
 * 自定义 Java.lang 包 下的Test类 试图使用引导类加载器进行加载
 * @author zjt
 * @date 2022-01-22
 */
public class Test {

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

    // 执行结果 原则上是不允许自定义 java.lang 包 一定程度上保护核心API的安全
    // Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
    // Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
}

沙箱安全机制

上文中自定义了String类，但是在加载自定义String类的时候，引导类加载器在加载过程中会先加载JDK自带的文件(rt.jar包中的 java\langString.class)，报错信息中提示没有main方法，就是因为加载的rt.jar包中的String类，这样以实现java核心源代码的保护的方式，就是沙箱安全机制。

扩展

JVM中表示两个class对象是否为同一个类，有两个必要条件。
1、类的全类名必须一致（包括包名）
2、加载这个类的ClassLoader（指的是ClassLoader实例对象）必须相同。
在JVM中，即时两个类对象（class对象）来源于同一个Class文件，被同一个虚拟机加载，但是只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不想等的。
类加载器的引用
JVM必须知道一个类型是由启动类加载器加载的，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。
主动使用分为7种情况
1、创建类的实例
2、访问某个类或者接口的静态变量，或者对该静态变量赋值。
3、调用类的静态方法
4、初始化一个类的子类
5、通过反射主动加载（例如 Class.forName(“xxx”)）
6、Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
7、JDK 7 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，则进行初始化
除了以上的7种情况，其它使用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。

码农公寓