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关于jvm:JVM-类加载机制

jiezi

1. JVM 细节版架构图

2. 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 文件在文件结尾有特定的文件标识。
  • ClassLoader 只负责 class 文件的加载，至于它是否能够运行，则由 Execution Engine 决定。
  • 加载的类信息寄存于一块称为办法区的内存空间。除了类的信息外，办法区中还会寄存运行时常量池信息，可能还包含字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是 Class 文件中常量池局部的内存映射）

3. 类的加载过程

1. 加载 loading

  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动态存储构造转化为办法区的运行时存储构造。
  3. 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为办法区这个类的各种数据的拜访入口。

2. 链接 linking

1. 验证

1. 目标在于确保 Class 文件的字节流中蕴含信息合乎以后虚拟机要求，保障被加载类的正确性，不会危害虚拟机本身平安。

2. 次要包含四种验证，文件格式验证，源数据验证，字节码验证，符号援用验证。

2. 筹备 prepare

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. 这里不蕴含用 final 润饰的 static 变量，因为 final 在编译的时候就调配了，筹备阶段会显式初始化。
3. 这一阶段不会为实例变量调配初始化，类变量会调配在办法区中，而实例变量是会随着对象一起调配到 java 堆中。

3. 解析

1. 将常量池内的符号援用转换为间接援用的过程。

2. 事实上，解析过程在某些状况下能够在初始化阶段之后再开始，这是为了反对 Java 的动静绑定。

3. 符号援用就是一组符号来形容所援用的指标。符号援用的字面量模式明确定义在《java 虚拟机标准》的 class 文件格式中。间接援用就是间接指向指标的指针、绝对偏移量或一个间接定位到指标的句柄。

4. 解析动作次要针对类或接口、字段、类办法、接口办法、办法类型等。对应常量池中的 CONSTANT_Class_info/CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info 等。

3. 初始化

  • 初始化阶段就是执行类结构器办法 <clinit>() 的过程。
  • 此办法不需定义，是 javac 编译器主动收集类中的所有 类变量的赋值动作 和动态代码块 中的语句合并而来。
  • 结构器办法中指令按语句在源文件中呈现的程序执行。
  • <clinit>()不同于类的结构器。（关联：结构器是虚拟机视角下的<init>()）
  • 若该类具备父类，JVM 会保障子类的 <clinit>() 执行前，父类的 <clinit>() 曾经执行结束。
  • 虚拟机必须保障一个类的 <clinit>() 办法在多线程下被同步加锁，因为类只能加载一次。
public class ClassInitTest{  
 private static int num = 1;  
   
 static{  
 num = 2;  
 number = 20;  
 System.out.println(num);  
 // System.out.println(number);  // 报错：非法的前向援用  
 }  
 private static int number = 10;  // linking 之 prepare:number=0 --> initial: 20 -->10  
   
 public static void main(String[] args){System.out.println(ClassIniTest.num);   //  2  
 System.out.println(ClassInitTest.number);  //10  
 }  
}

上述代码 <clinit>() 办法的字节码：只收集动态变量和动态代码块中的赋值语句

任何一个类申明当前，外部至多存在一个类的结构器，当没有定义结构器时，默认是 <clinit>() 办法

4. 类的加载器的分类

  1. JVM 反对两种类型的加载器，别离为 疏导类加载器 （BootStrap ClassLoader，C/C++ 实现）和 自定义类加载器（Java 实现）
  2. 从概念上来讲，自定义类加载器个别指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，然而 java 虚拟机标准却没有这么定义，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。
  3. 无论类加载器的类型如何划分，在程序中咱们最常见的类加载器始终只有 3 个，如下所示：

这里的四者之间的关系是蕴含关系。不是下层上层，也不是子父类的继承关系。

   package chapter02;
   
   public class ClassLoaderTest {public static void main(String[] args) {
   
           // 获取零碎类加载器
           ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
           System.out.println(systemClassLoader);  // jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@78308db1
   
           // 获取其下层：扩大类加载器
           ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
           System.out.println(extClassLoader);    // jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@5fd0d5ae
   
           // 获取其下层: 获取不到疏导类加载器
           ClassLoader bootstrapLoader =  extClassLoader.getParent();
           System.out.println(bootstrapLoader); // null
   
           // 对于用户自定义类来说：默认应用零碎类加载器进行加载
           ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
           System.out.println(classLoader); // jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@78308db1
   
           // String 类应用疏导类加载器进行加载的。--->Java 的外围类库都是应用疏导类加载器进行加载的。ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
           System.out.println(classLoader1);  // null
       }
   }

1. 虚拟机自带的加载器

1. 启动类加载器（疏导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

  • 这个类加载应用 C/C++ 语言实现的，嵌套在 JVM 外部。
  • 它用来加载 Java 的 外围库（JAVA HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path 门路下的内容），

    用于提供 JVM 本身须要的类.

  • 并 不继承 自 ava.1ang.ClassLoader，没有父加载器。
  • 加载 扩大类 和应用程序类 加载器，并指定为他们的父类加载器。
  • 出于平安思考，Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun 等结尾的类

2. 扩大类加载器（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 零碎属性所指定的目录中加载类库，或从 JDK 的装置目录的 jre/lib/ext 子目录（扩大目录）下加载类库。如果用户创立的 JAR 放在此目录下，也会主动由扩大类加载器加载。

3. 应用程序类加载器（零碎类加载器，AppClassLoader）

  • java语言编写，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现
  • 派生于 ClassLoader 类
  • 父类加载器为 扩大类加载器
  • 它负责加载环境变量 classpath 或零碎属性 java.class.path 指定门路下的类库
  • 该类加载是程序中 默认 的类加载器，一般来说，Java 利用的类都是由它来实现加载 通过 classLoader.getSystemClassLoader() 办法能够获取到该类加载器

2. 自定义类加载器

1. 为什么要自定义类加载器？

  1. 隔离加载类
  2. 批改类加载的形式
  3. 扩大加载源
  4. 避免源码透露

2. 用户自定义类加载器实现步骤：

  1. 开发人员能够通过继承抽象类 java.lang.ClassLoader 类的形式，实现本人的类加载器，以满足一些非凡的需要

    1. 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() 办法，从而实现自定义的类加载类。
然而在 JDK1.2 之后已不再倡议用户去笼罩 `loadClass()` 办法，而是倡议把自定义的类加载逻辑写在 `findclass()` 办法中
  1. 在编写自定义类加载器时，如果没有太过于简单的需要，能够间接继承 URLClassLoader 类，这样就能够防止本人去编写 findclass() 办法及其获取字节码流的形式，使自定义类加载器编写更加简洁。

6. ClassLoader 的罕用办法

ClassLoader 类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassLoader（不包含启动类加载器）

获取 ClassLoader 的路径

7. 双亲委派机制

Java 虚拟机对 class 文件采纳的是按需加载的形式，也就是说当须要应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 虚拟机采纳的是双亲委派模式，即把申请交由父类解决，它是一种 工作委派模式。

1. 工作原理

  1. 如果一个类加载器收到了类加载申请，它并不会本人先去加载，而是把这个申请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，顺次递归，申请最终将达到顶层的 启动类加载器；
  3. 如果父类加载器能够实现类加载工作，就胜利返回，假使父类加载器无奈实现此加载工作，子加载器才会尝试本人去加载，这就是双亲委派模式。

2. 举例一

如下图所示：自定义了一个 java.lang 包下的 String 类

运行 main 函数输入：hello,java

并不加载自定义的 java.lang 包下的 String 类，这是因为疏导类加载器会加载包名为 java、javax、sun 等结尾的类，因而疏导类加载器会应用 java 自定义的 API 来加载 String 类，而自定义类加载器不会加载。

又如：

package com.atguigu.java;  
​  
public class StringTest {public static void main(String[] args) {java.lang.String str = new java.lang.String();  
 System.out.println("hello, java");  
​  
 StringTest test = new StringTest();  
 System.out.println(test.getClass().getClassLoader());   
 // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 零碎类加载器  
 }  
}

又如：

自定义 java.lang.String 类中定义了 main 办法，而疏导类结构器中没有 main 办法，因而报错

package java.lang;  
​  
public class String {  
 static {System.out.println("我是自定义的 String 类的动态代码块");  
 }  
​  
 // 谬误：在类 java.Lang.String 中找不到 main 办法  
 public static void main(String[] args) {System.out.println("helle, String");  
 }  
}

3. 举例二

接口由疏导类加载器加载，具体的实现类由 线程上下文类加载器（零碎类加载器）加载。

4. 双亲委派机制的劣势

  1. 防止类的反复加载
  2. 爱护程序平安，避免外围 API 被随便篡改 自定义类：java.lang.String（不会加载该自定义的 java.lang.String 类）自定义类：java.lang.ShkStart，（API 中的 java.lang 包中不存在 ShkStart 类，会报错）

8. 沙箱平安机制

如自定义 String 类，然而在加载自定义 String 类的时候会率先应用 疏导类加载器加载 ，而疏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 办法，就是因为加载的是 rt.jar 包中的 string 类。这样能够保障对java 外围源代码 的爱护，这就是 沙箱平安机制。

9. 其余

在 JVM 中示意两个 class 对象是否为 同一个类 存在两个必要条件：

  1. 类的 残缺类名 必须统一，包含包名。
  2. 加载这个类的ClassLoader（指 classLoader 实例对象）必须雷同。换句话说，在 JVM 中，即便这两个类对象（class 对象）起源同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只有加载它们的 ClassLoader 实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

对类加载器的援用

JVM 必须晓得一个类型是由 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援用作为类型信息的一部分保留在 办法区 中，当解析一个类型到另一个类型的援用的时候，JVM 须要保障这两个类型的类加载器是雷同的。

类的被动应用和被动应用

  1. 被动应用，又分为七种状况：

    • 创立类的实例
    • 拜访某个类或接口的动态变量，或者对该动态变量赋值
    • 调用类的静态方法
    • 反射（比方：Class.forName（”com.atguigu.Test”））
    • 初始化一个类的子类
    • Java 虚拟机启动时被表明为启动类的类
    • JDK7 开始提供的动静语言反对：java.lang.invoke.MethodHandle 实例的解析后果

      REF getStatic、REF putStatic、REF invokeStatic 句柄对应的类没有初始化，则初始化。

  2. 被动应用：

    除了以上七种状况，其余应用 Java 类的形式都被看作是对类的被动应用，都不会导致类的初始化（Initialization 阶段）

参考资料

https://github.com/CyC2018/CS-Notes

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