JAVA基础面试题总结（十四）——JVM（下）

news2024/9/21 16:19:42

类文件结构详解

什么是字节码？

在 Java 中，JVM 可以理解的代码就叫做字节码（即扩展名为 .class 的文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。Java 语言通过字节码的方式，在一定程度上解决了传统解释型语言执行效率低的问题，同时又保留了解释型语言可移植的特点。

类文件结构包括哪些？

魔数（即标志是否为类文件）、Class文件版本号、常量池、访问标志、

当前类、父类、接口索引集合

字段表集合、方法表集合、属性表集合

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类加载过程详解

类的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始到卸载出内存为止，它的整个生命周期可以简单概括为 7 个阶段：：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）。其中，验证、准备和解析这三个阶段可以统称为连接（Linking）。

这 7 个阶段的顺序如下图所示：
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类的加载过程

Class 文件需要加载到虚拟机中之后才能运行和使用，那么虚拟机是如何加载这些 Class 文件呢？

系统加载 Class 类型的文件主要三步：加载->连接->初始化。连接过程又可分为三步：验证->准备->解析。

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一、加载

主要完成下面 3 件事情：

  1. 通过全类名获取定义此类的二进制字节流。

  2. 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构。

  3. 在内存中生成一个代表该类的 Class 对象，作为方法区这些数据的访问入口。

加载这一步主要是通过我们后面要讲到的 类加载器 完成的。类加载器有很多种，当我们想要加载一个类的时候，具体是哪个类加载器加载由 双亲委派模型 决定（不过，我们也能打破由双亲委派模型）。

二、验证

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合《Java 虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全

三、准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配

对于该阶段有以下几点需要注意：

  1. 这时候进行内存分配的仅包括类变量（ Class Variables ，即静态变量，被 static 关键字修饰的变量，只与类相关，因此被称为类变量），而不包括实例变量。实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
  2. 从概念上讲，类变量所使用的内存都应当在 方法区 中进行分配。不过有一点需要注意的是：JDK 7 之前，HotSpot 使用永久代来实现方法区的时候，实现是完全符合这种逻辑概念的。 而在 JDK 7 及之后，HotSpot 已经把原本放在永久代的字符串常量池、静态变量等移动到堆中，这个时候类变量则会随着 Class 对象一起存放在 Java 堆中。
  3. 这里所设置的初始值"通常情况"下是数据类型默认的零值（如 0、0L、null、false 等），比如我们定义了public static int value=111 ，那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是 111（初始化阶段才会赋值）。特殊情况：比如给 value 变量加上了 final 关键字public static final int value=111 ，那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。

四、解析阶段

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量

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五、初始化

初始化阶段是执行初始化方法 <clinit> ()方法的过程，是类加载的最后一步，这一步 JVM 才开始真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)。

说明：<clinit> ()方法是编译之后自动生成的。

类卸载

卸载类即该类的 Class 对象被 GC。

卸载类需要满足 3 个要求:

  1. 该类的所有的实例对象都已被 GC，也就是说堆不存在该类的实例对象。
  2. 该类没有在其他任何地方被引用
  3. 该类的类加载器的实例已被 GC

类加载器详解

类加载器介绍

类加载器是一个负责加载类的对象。类加载器的主要作用就是加载 Java 类的字节码（ .class 文件）到 JVM 中，并在内存中生成一个代表该类的 Class 对象。

ClassLoader 是一个抽象类。给定类的二进制名称，类加载器应尝试定位或生成构成类定义的数据。典型的策略是将名称转换为文件名，然后从文件系统中读取该名称的“类文件”。

每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。不过，数组类不是通过 ClassLoader 创建的，而是 JVM 在需要的时候自动创建的，数组类通过getClassLoader()方法获取 ClassLoader 的时候和该数组的元素类型的 ClassLoader 是一致的。

从上面的介绍可以看出:

  • 类加载器是一个负责加载类的对象，用于实现类加载过程中的加载这一步。
  • 每个 Java 类都有一个引用指向加载它的 ClassLoader。
  • 数组类不是通过 ClassLoader 创建的（数组类没有对应的二进制字节流），是由 JVM 直接生成的。

类加载器加载规则

JVM 启动的时候，并不会一次性加载所有的类，而是根据需要去动态加载。也就是说，大部分类在具体用到的时候才会去加载，这样对内存更加友好。

对于已经加载的类会被放在 ClassLoader 中。在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。也就是说，对于一个类加载器来说，相同二进制名称的类只会被加载一次。

类加载器介绍

JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader：

  1. BootstrapClassLoader(启动类加载器)：最顶层的加载类，由 C++实现，通常表示为 null，并且没有父级，主要用来加载 JDK 内部的核心类库（ %JAVA_HOME%/lib目录下的 rt.jar、resources.jar、charsets.jar等 jar 包和类）以及被 -Xbootclasspath参数指定的路径下的所有类。
  2. ExtensionClassLoader(扩展类加载器)：主要负责加载 %JRE_HOME%/lib/ext 目录下的 jar 包和类以及被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的所有类。
  3. AppClassLoader(应用程序类加载器)：面向我们用户的加载器，负责加载当前应用 classpath 下的所有 jar 包和类。

rt.jar：rt 代表“RunTime”，rt.jar是 Java 基础类库，包含 Java doc 里面看到的所有的类的类文件。也就是说，我们常用内置库 java.xxx.*都在里面，比如java.util.*、java.io.*、java.nio.*、java.lang.*、java.sql.*、java.math.*。

Java 9 引入了模块系统，并且略微更改了上述的类加载器。扩展类加载器被改名为平台类加载器（platform class loader）。Java SE 中除了少数几个关键模块，比如说 java.base 是由启动类加载器加载之外，其他的模块均由平台类加载器所加载。

自定义类加载器

我们前面也说说了，除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader。如果我们要自定义自己的类加载器，很明显需要继承 ClassLoader抽象类。

ClassLoader 类有两个关键的方法：

  • protected Class loadClass(String name, boolean resolve)：加载指定二进制名称的类，实现了双亲委派机制 。name 为类的二进制名称，resolve 如果为 true，在加载时调用 resolveClass(Class<?> c) 方法解析该类。
  • protected Class findClass(String name)：根据类的二进制名称来查找类，默认实现是空方法。

如果我们不想打破双亲委派模型，就重写 ClassLoader 类中的 findClass() 方法即可，无法被父类加载器加载的类最终会通过这个方法被加载。但是，如果想打破双亲委派模型则需要重写 loadClass() 方法。

双亲委派模型

双亲委派模型介绍

ClassLoader 类使用委托模型来搜索类和资源。每个 ClassLoader 实例都有一个相关的父类加载器。需要查找类或资源时，ClassLoader 实例会在试图亲自查找类或资源之前，将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。

虚拟机中被称为 "bootstrap class loader"的内置类加载器本身没有父类加载器，但是可以作为 ClassLoader 实例的父类加载器。

从上面的介绍可以看出：

  • ClassLoader 类使用委托模型来搜索类和资源。
  • 双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。
  • ClassLoader 实例会在试图亲自查找类或资源之前，将搜索类或资源的任务委托给其父类加载器。

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双亲委派模型执行流程

1、使用loadClass进行类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。

2、类加载器在进行类加载的时候，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，即调用父加载器 loadClass()方法来加载类。这样的话，所有的请求最终都会传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。

3、只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去加载，即调用自己的 findClass() 方法来加载类。

4、如果子类加载器也无法加载这个类，那么它会抛出一个 ClassNotFoundException 异常。

JVM 判定两个 Java 类是否相同的具体规则：JVM 不仅要看类的全名是否相同，还要看加载此类的类加载器是否一样。只有两者都相同的情况，才认为两个类是相同的。即使两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相同。

双亲委派模型的好处

1、避免类的重复加载：每个类加载器都有自己的命名空间，相同的类文件即使被不同的类加载器加载，也会被视为两个不同的类。这样可以避免类的重复加载，提高了系统的资源利用率。

2、保护核心 API 的完整性：由于核心 API 是由启动类加载器加载的，其他类加载器无法修改它们。这样可以确保核心类库的完整性和安全性，防止恶意代码篡改核心 API。

3、安全隔离：每个类加载器都只能访问自己加载的类和依赖的类，无法访问其他类加载器加载的类。这种隔离性可以有效地保护不同组件或模块之间的互相干扰，增加系统的安全性和稳定性。

如果没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现两个不同的 Object 类。双亲委派模型可以保证加载的是 JRE 里的那个 Object 类，而不是你写的 Object 类。这是因为 AppClassLoader 在加载你的 Object 类时，会委托给 ExtClassLoader 去加载，而 ExtClassLoader 又会委托给 BootstrapClassLoader，BootstrapClassLoader 发现自己已经加载过了 Object 类，会直接返回，不会去加载你写的 Object 类。

打破双亲委派模型的方法

1、因为我们自定义的加载器，需要继承 ClassLoader 。所以如果想打破双亲委派模型则需要重写 loadClass() 方法。

因为在双亲委派执行流程中，类加载器在进行类加载的时候，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，即调用父加载器 loadClass()方法来加载类。当我们重写 loadClass()方法之后，我们就可以改变传统双亲委派模型的执行流程。例如，子类加载器可以在委派给父类加载器之前，先自己尝试加载这个类，或者在父类加载器返回之后，再尝试从其他地方加载这个类。具体的规则由我们自己实现，根据项目需求定制化。

如果我们不想打破双亲委派模型，就重写 ClassLoader 类中的 findClass() 方法即可，无法被父类加载器加载的类最终会通过这个方法被加载。但是，

例如：

我们比较熟悉的 Tomcat 服务器为了能够优先加载 Web 应用目录下的类，然后再加载其他目录下的类，就自定义了类加载器 WebAppClassLoader 来打破双亲委托机制。每个 Web 应用都会创建一个单独的 WebAppClassLoader，这也是 Tomcat 下 Web 应用之间的类实现隔离的具体原理。

2、通过线程上下文加载器ThreadContextClassLoader，可以解决高层的类加载器需要加载低层的加载器才能加载的类。破坏了 Java 的类加载委托机制，让应用逆向使用类加载器。

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