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类加载子系统

龙璃大约 9 分钟JVM

类加载子系统

类的加载过程
类的加载过程

作用

  • 类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载 class 文件，class 文件在文件开头由特定文件标识。
  • ClassLoader 只负责 class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由 ExecutionEngine 决定
  • 加载的类信息存放于一块成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）

方法区存放内容

  • 类信息
  • 常量池
    • 字符串字面量
    • 数字常量

类加载器 ClassLoader

  1. 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n个一模一样的实例

  2. class file 加载到JVM中，被称为 DNA 元数据模板，放在方法区

  3. 在 .class文件 -> JVM -> 最终成为元数据模板的过程中，就要一个运输工具（类装载器 CLass Loader）来扮演一个快递员的角色。

类的加载过程

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静态存储结构转化为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

补充 加载.class文件的方式

  • 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 -- 动态代理技术
  • 由其他文件生成，典型应用场景 JSP
  • 从专有的数据库中提取.class文件， 比较少见
  • 从加密文件获取，典型的防class文件被反编译的保护措施

验证 rification

  • 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

准备 Preparation

  • 为类变量分配内存并且设置该变量的默认初始值，即零值

    class test{
	public static int a = 3;
}

    大概过程就是:
    a = 0 -> a = 3

  • 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，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

解析 Resolution

  • 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

验证、准备、解析阶段和称为链接阶段

初始化 Initialization

  • 初始化阶段就是执行类构造器方法的<clinit>()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

  • 构造器方法中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。

  • 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。

    验证:

    public class DeadThreadTest {

 public static void main(String[] args) {
     Runnable runnable = () -> {
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "启动");
         DeadThread deadThread = new DeadThread();
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
     };

     Thread t1 = new Thread(runnable, "线程1");
     Thread t2 = new Thread(runnable, "线程2");

     t1.start();
     t2.start();

 }

}

class DeadThread{

 static {
     if (true){
         System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化了当前类");
         while (true){

         }
     }

 }
}

    输出结果：
    线程1启动
    线程2启动
    线程1初始化了当前类

考虑如下情况的输出值

public class ClassInitTest {

    static {
        num = 30;
    }

    private static int num = 10;

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

输出值为1

过程：prepare 阶段：number = 0 -> initial：30 -> 10

下面是反编译后的代码：

stack=1, locals=0, args_size=0
        0: bipush        30
        2: putstatic     #3                  // Field num:I
        5: bipush        10
        7: putstatic     #3                  // Field num:I
       10: return
     LineNumberTable:
       line 13: 0
       line 17: 5

可以明显看出数据先赋值了30，后赋值了10

类加载器的分类

分为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Define CLassLoader）

所有派生于抽象类的CLassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器

所有派生于抽象类的CLassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器

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，并指定为他们的父类加载器
  • 出与安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

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

应用程序类加载器

（系统类加载器，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
public class ClassLoaderTest {

    public static void main(String[] args) {

        // 系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        System.out.println(systemClassLoader);

        // 扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        System.out.println(extClassLoader);

        // 用户自定义类 用的是什么加载器
        ClassLoader userClassLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 --> 使用系统类加载器进行加载
        System.out.println(userClassLoader);

        // 其他： String类使用引导类加载器进行加载（BootStrap ClassLoader）
        //  --> Java 核心类库都是使用引导类加载器进行加载

    }
}

⭐双亲委派模式

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他的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

工作原理

  1. 如果一个类加载器收到了类加载请求，他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，自家在其才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

优点

  • 避免类的重复加载
  • 保护程序安全防止核心API被随意篡改

沙箱安全机制

自定义String类，但是在加载自定义String类额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。

其他

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

JVM中，即使这两个类对象来源于同一个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。

  • 类的完成类型必须一致，包括包名
  • 加载这个类的ClassLoader（指CLassLoader实例对象）必须相同。

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。当解析一个类型当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。

Java程序对类的使用方式

  • 主动使用
    • 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
    • 初始化一个类的子类
    • JVM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
  • 被动使用
    • 其他使用类的方式都看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化
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贡献者: 汪亦涵