JVM系列(一)——java的类加载机制

前言:之前零零碎碎学习过很多jvm相关的知识,由于平时工作业务代码并不会涉及过多jvm底层原理,所以很多知识点看了又忘,忘了又看。这次终于下定决心再来撸一遍,并写下此jvm系列文章。笔者才疏学浅,很多内容通过看书和查阅他人博客获取,在此感谢分享!

1.何为类的加载?

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象,Class对象封装了类在方法区内的数据结构。

类加载器不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它,JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它,如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误,类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError错误),如果这个类一直没有被程序主动使用,那么类加载器就不会报告错误。

2.类的生命周期

加载——验证——准备——解析——初始化——使用——卸载

类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中,加载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的,而解析阶段则不一定,它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定(动态绑定或晚期绑定)。

(1)加载

查找并加载类的二进制数据是类加载过程的第一个阶段,在加载阶段,虚拟机需要完成以下三件事情:

通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流;

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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言,加载阶段(准确地说,是加载阶段获取类的二进制字节流的动作)是可控性最强的阶段,因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载,也可以自定义自己的类加载器来完成加载。加载阶段完成后,虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中,而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象,这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

(2)验证 确保被加载的类的正确性

这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求,并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:文件格式验证;元数据验证;字节码验证;符号引用验证。

(3)准备 为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值

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:

这时候进行内存分配的仅包括类变量(static),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;

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),而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

(4)解析 把类中的符号引用转换为直接引用

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,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、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。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。

(5)初始化

初始化,为类的静态变量赋予正确的初始值,JVM负责对类进行初始化,主要对类变量进行初始化。

3.类加载器

父类加载器并不是通过继承关系来实现的,而是采用组合实现的。

站在Java虚拟机的角度来讲,只存在两种不同的类加载器:

启动类加载器:它使用C++实现(仅限于Hotspot),是虚拟机自身的一部分;

所有其它的类加载器:这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机之外,并且全部继承自抽象类java.lang.ClassLoader,这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

站在Java开发人员的角度来看,类加载器可以大致划分为以下三类:

启动类加载器:Bootstrap ClassLoader,负责加载存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安装目录,下同)下,或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的,并且能被虚拟机识别的类库(如rt.jar,所有的java.开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载)。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。

扩展类加载器:Extension ClassLoader,该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载JDK\jre\lib\ext目录中,或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库(如javax.开头的类),开发者可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器:Application ClassLoader,该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现,它负责加载用户类路径(ClassPath)所指定的类,开发者可以直接使用该类加载器,如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的,如果有必要,我们还可以加入自定义的类加载器。因为JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件,因此如果编写了自己的ClassLoader,便可以从特定的场所取得java class,例如数据库中和网络中。

JVM类加载机制:

全盘负责,当一个类加载器负责加载某个Class时,该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入,除非显示使用另外一个类加载器来载入;

父类委托,先让父类加载器试图加载该类,只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类;

缓存机制,缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存,当程序中需要使用某个Class时,类加载器先从缓存区寻找该Class,

只有缓存区不存在,系统才会读取该类对应的二进制数据,并将其转换成Class对象,存入缓存区,所以修改了Class后,必须重启JVM,程序的修改才会生效。

4.类的加载

类加载有三种方式:

命令行启动应用时候由JVM初始化加载;

通过Class.forName()方法动态加载;

通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载。

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别:

Class.forName():将类的.class文件加载到jvm中之外,还会对类进行解释,执行类中的static块;

ClassLoader.loadClass():只干一件事情,就是将.class文件加载到jvm中,不会执行static中的内容,只有在newInstance才会去执行static块。

5.双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把请求委托给父加载器去完成,依次向上, 因此,所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中,只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时,即无法完成该加载,子加载器才会尝试自己去加载该类。

双亲委派模型意义:

系统类防止内存中出现多份同样的字节码;

保证Java程序安全稳定运行。

6.自定义类加载器

通常情况下,我们都是直接使用系统类加载器。但是,有的时候,我们也需要自定义类加载器。比如应用是通过网络来传输 Java类的字节码,为保证安全性,这些字节码经过了加密处理,这时系统类加载器就无法对其进行加载,这样则需要自定义类加载器来实现。自定义类加载器一般都是继承自ClassLoader类,我们只需要重写 findClass 方法即可,最好不要重写loadClass方法,因为这样容易破坏双亲委托模式。

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