从零开始学习JVM（二）--类加载子系统

news2025/1/23 21:22:35

1. 类加载子系统介绍

JVM内存结构如下图所示：
在这里插入图片描述

  • 程序计数器（PC寄存器）：程序计数器是⼀块⼩的内存空间，可以看作是当前线程所执⾏的字节码的⾏号指示器。字节码解释器⼯作时通过改变这个计数器的值来选取下⼀条需要执⾏的字节码指令，分⽀、循环、跳转、异常处理、线程恢复等功能都需要依赖这个计数器来完成。
  • 虚拟机栈：Java 虚拟机栈与程序计数器⼀样，也是线程私有的，它的⽣命周期和线程相同，描述的是 Java⽅法执⾏的内存模型，每次⽅法调⽤的数据都是通过栈传递的。Java 虚拟机栈是由⼀个个栈帧组成，⽽每个栈帧中都拥有：局部变量表、操作数栈、动态链接、⽅法出⼝信息。
    其中局部变量表主要存放了编译期可知的各种数据类型（boolean、byte、char、short、int、float、
    long、double）、对象引⽤（reference 类型，它不同于对象本身，可能是⼀个指向对象起始地址
    的引⽤指针，也可能是指向⼀个代表对象的句柄或其他与此对象相关的位置）。
  • 堆：堆是Java虚拟机所管理的内存中最大的一块，Java 堆是所有线程共享的⼀块内存区域，在虚拟机启动时创建。此内存区域的唯⼀⽬的就是存放对象实例，⼏乎所有的对象实例以及数组都在这⾥分配内存。
  • 方法区：⽅法区与 Java 堆⼀样，是各个线程共享的内存区域。方法区⽤于存储已被虚拟机加载的类信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码等数据。
  • 运行时常量池：运⾏时常量池是⽅法区的⼀部分。Class ⽂件中除了有类的版本、字段、⽅法、接⼝等描述信息外，还有常量池表（⽤于存放编译期⽣成的各种字⾯量和符号引⽤）

其中类加载子系统是在类加载阶段发挥作用的。

1.1 类加载器子系统的作用

在这里插入图片描述

  • 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。
  • 类加载器只负责Class文件的加载，而它是否可以运行是由执行引擎决定的
  • 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）

通过查看文件的二进制工具Binary Viewer打开Class文件，可以看到文件开头特有的文件标识：
在这里插入图片描述

1.2 类加载器扮演的角色

在这里插入图片描述

  • 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. 类的加载过程

类的加载过程分为三个过程：

  1. 加载
  2. 链接：验证、准备、解析
  3. 初始化

在这里插入图片描述
如运行一个类，执行该类的main方法的大致流程如下图所示：

/**
 *示例代码
 */
public class HelloLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

在这里插入图片描述

2.1 加载阶段Loading

“加载”是“类加载”过程的一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成的三个事情：

  1. 通过一个类的全限定名来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成方法区的运行时数据结构
  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。

虚拟机实现与具体应用的灵活度都是相当大的，所以上面3点要求不算具体。如第一条“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。”，需要补核获取类的二进制字节流的方式可以有以下的方式：

  • 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

2.2 链接阶段Linking

2.2.1 验证Verify

验证的目的在于确保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。

2.2.2 准备Prepare

准备阶段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变量，因为这种变量在编译的时候就会分配内存了，在准备阶段会显式初始化。

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。

2.2.3 解析Resolve

解析是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。

2.3 初始化阶段Initialization

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，由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。< clinit >()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。

< clinit >()不同于类的构造器方法。（关联：构造器方法是虚拟机视角下的< init >()方法）
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。

举例说明：
（1）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。
运行下面代码，代码中包含了对类变量的赋值。

public class ClassInitTest {
    private static int num = 10;

    static {
        num =20;
    }

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

通过IDEA的插件jclasslib查看编译产生的字节码文件的clinit方法。可以看到该方法中记录了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。

在这里插入图片描述

（2）构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。

public class ClassInitTest {
    private static int num = 10;
    private static int anInt = 100;

    static {
        anInt = 200;
        num =20;
    }


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

执行结果：
在这里插入图片描述

（3）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 ClassInitTest1 {

    static class Son extends Father{


        public static int B = A;
    }

    static class Father{
        static int A=1;
        static {
            A =2;
        }
    }

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

在这里插入图片描述

3. 类加载器

3.1 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)。Java虚拟机规范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4个：引导类加载器，拓展类加载器，系统类加载器，用户自定义类加载器如下所示：
在这里插入图片描述
这里的四种加载器之间的关系是包含关系。不是上下层或子父类的继承关系。

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@58644d46

        //获取系统类加载器的上层
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@78308db1

        //获取extClassLoader的上层
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null，规定无法直接获取BootstrapClassLoader

        //获取自定义类的加载器,默认使用AppClassLoader
        System.out.println(ClassLoaderTest.class.getClassLoader());//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46
        
        //String类使用引导类加载器进行加载，Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
    }
}

3.1.1 启动类加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），又称引导类加载器，是虚拟机自带的加载器。

  • 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ava.lang.ClassLoader，没有父加载器。
  • 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定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 拓展类加载器

拓展类加载器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。

通过Java代码获取启动类加载器和拓展类加载器所加载的路径：

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("启动类加载器:");
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL urL : urLs) {
            System.out.println(urL.toExternalForm());
        }
        System.out.println("扩展类加载器:");
        String exDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : exDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }

    }
}

执行结果：
在这里插入图片描述

3.1.3 应用程序类加载器

应用程序类加载器 App ClassLoader又称系统类加载器，

  • 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

3.1.4 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。

用户自定义类加载器的应用场景有：

  • 隔离加载类
  • 修改类加载的方式
  • 扩展加载源
  • 防止源码泄漏

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ava.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，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中
  3. 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URLClassLoader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。

3.2 ClassLoader类

ClassLoader类是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）。ClassLoader常用的方法如下：
在这里插入图片描述
sun.misc.Launcher 它是一个java虚拟机的入口应用
在这里插入图片描述

3.3 获取类加载器的方式

在这里插入图片描述

获取当前类的ClassLoader也有三种方式获取，如下：

public class Student {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Student student = new Student();
        //获取Class对象的三种方式与获取类加载器
        System.out.println(student.getClass().getClassLoader());//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46
        System.out.println(Student.class.getClassLoader());//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46
        System.out.println(Class.forName("classloader.Student").getClassLoader());//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46
    }
}

4. 双亲委派机制

4.1 基本介绍

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。

使用双亲委派机制的优点有以下两点：

  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。如在自己的项目中自定义Java类库提供的String类，java.lang.String。

4.2 工作原理

双亲委派机制的工作原理：

  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器任务，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。在这里插入图片描述

以加载jdbc.jar中的SPI核心类为例说明：

在这里插入图片描述
如果要加载核心rt.jar包是由引导类加载器完成的，其中spi接口调用实现类中的方法，如jdbc.jar调用了SPI接口实现类，就需要反向依次委派给拓展类加载器，线程上下文类加载器完成jdbc.jar的SPI接口实现类的加载。

package java.lang;

public class ShkStart {

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

如果自定义Java类库不存在的类实现java.lang.ShkStart。也无法使用引导类加载器进行加载，该类会被禁止加载，报错异常：
在这里插入图片描述

4.3 沙箱安全机制

沙箱是一个限制程序运行的环境（沙箱主要限制系统资源的访问，如cpu,内存等等。不同级别的沙箱对这些资源的访问限制也不一样）

JVM的沙箱安全机制就是将Java代码限定在虚拟机特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地系统资源的访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对系统造成破坏。

例如，如果自定义String类，但是在加载自定义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。

5. 其他

5.1 如何判断两个Class对象是否相同

在JVM中标识两个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

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想等的。

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。

5.2 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（“com.atguigu.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
  • 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。

笔记总结自视频教程：尚硅谷宋红康JVM全套教程（详解java虚拟机）
参考：
1.《深入理解Java虚拟机》第2版

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