JVM学习笔记之类加载器子系统

April 19, 2021 1 minute read

类加载子系统概述

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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（Cafe Babe）。
ClassLoader只负责Class文件的加载，至于是否可以运行，则由Execution Engine决定。
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(Constant Pool)信息，可能还包括字符串和数字常量

类的加载过程

1. 加载（Loading）

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
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
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

2. 链接（Linking）

2.1 验证（Verify）

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 准备（Prepare)

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，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

2.3 解析（Resolve）

将常量池内的符号引用转化为直接引用的过程
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_Fieldred_info、CONSTANT_Methodref_info

3.初始化（initialization）

初始化阶段就是执行类构造器方法()的过程。
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
()不同于类的构造器。（关联：构造器时虚拟机视角下的()）
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
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）
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。
在程序中最常见的类加载器始终只有3个：Bootstrap ClassLoader、Extension ClassLoader、System ClassLoader

类加载器之间的关系是包含关系（不是继承）

public class StructureTest {
    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@18b4aac2

        //获取其上层：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

        //获取其上层：
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null

        //用户自定义类加载器
        ClassLoader classLoader = StructureTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //String使用引导类加载器。Java核心类库都是使用引导类加载器进行加载。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null

    }
}

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
用来加载Java核心库，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加载器，并制定为他们的父类加载器
出于安全考虑，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
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，APP ClassLoader）

Java语言编写
派生于ClassLoader类
父类加载器为扩展类加载器
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的

    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 property = System.getProperty("java.ext.dirs");
    for (String s : property.split(";")) {
        System.out.println(s);
    }

结果

--------启动类加载器------------
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_121/jre/classes
---------扩展类加载器---------
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_121\jre\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext

用户自定义类加载器

在日常开发中，类的加载几乎都是由前面的3类加载器相互配合执行的。但是在需要的时候可以自定义类加载器。

为什么要自定义类加载器

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄露

双亲委派机制（高频面试题）

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。

工作原理

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
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
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，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

大白话解释：我们自定义的类首先交给扩展类加载器，扩展类加载器交给引导类加载器，如果引导类加载器能加载，那就加载，加载不了的交给扩展类加载器，扩展类加载能加载的，把剩下的交给系统类加载器。（遇到问题汇报给领导，领导汇报给领导的领导，领导把能解决的都解决了，剩下的解决不了的交给我们解决）

沙箱安全机制

package java.lang;

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

因为双亲委派机制的存在，上述代码会由引导类加载器加载（启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类，这个类所在的包是的开头是java），但是引导类加载器里的类都没有main方法，所以报错。保护Java核心源代码。

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

优势

避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心API被随意篡改

补充

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

类的完整类名必须一致，包括包名
加载这个类的ClassLoader必须相同

对类加载器的引用

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。

类的主动使用和被动使用

主动使用分为七种情况：

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
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
JDK7开始提供的动态语言支持：java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果

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

Hunter