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Java JVM类加载机制

2021.01.09 18:45 249浏览

JVM类加载机制

一 类加载过程

当程序主动使用某个类时,如果该类还未被加载到内存中,则JVM会通过加载、连接、初始化3个步骤来对该类进行初始化。如果没有意外,JVM将会连续完成3个步骤,所以有时也把这个3个步骤统称为类加载或类初始化。类加载过程就是通过类加载器把主类加载到JVM的过程。
HelloWorld.java

public class HelloWorld {

    //定义一个静态变量
    public static final int initData = 100;

    //一个方法对应一块栈帧内存区域
    public String addStr(){
        String s1 = "Hello";
        String s2 = "World";
        return s1 + "," + s2;
    }

    public static void main(String[] args) {
        HelloWorld hello = new HelloWorld();
        String str = hello.addStr();
        System.out.println(str);
    }
}

图片描述
图片描述
其中loadClass的类加载过程有如下几步:
加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载
●加载:指的是将类的class文件读入到内存,并为之创建一个java.lang.Class对象,也就是说,当程序中使用任何类时,系统都会为之建立一个java.lang.Class对象。
类的加载由类加载器完成,类加载器通常由JVM提供,这些类加载器也是前面所有程序运行的基础,JVM提供的这些类加载器通常被称为系统类加载器。除此之外,开发者可以通过继承ClassLoader基类来创建自己的类加载器。
加载过程就是在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件,使用到类时才会加载,例如调用类的main()方法,new对象等等,在加载阶段会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。
类加载器通常无须等到“首次使用”该类时才加载该类,Java虚拟机规范允许系统预先加载某些类。

●连接:
当类被加载之后,系统为之生成一个对应的Class对象,接着将会进入连接阶段,连接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中。类连接又可分为如下3个阶段。
(1)验证:校验字节码文件的正确性。其主要包括四种验证,文件格式验证,元数据验证,字节码验证,符号引用验证。
文件格式验证:主要验证字节流是否符合Class文件格式规范,并且能被当前的虚拟机加载处理。例如:主,次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内。常量池中是否有不被支持的常量类型。指向常量中的索引值是否存在不符合类型的常量或不存在的常量。
元数据验证:对字节码描述的信息进行语义的分析,分析是否符合java语言语法的规范。
字节码验证:最重要的验证环节,分析数据流和控制,确定语义是合法的,符合逻辑的。主要针对元数据验证后对方法体的验证。保证类方法在运行时不会有异常出现。
符号引用验证:主要是针对符号引用转换为直接引用的时候,是会延伸到第三解析阶段,主要是确定访问类型等涉及到引用的情况,要保证引用一定会被访问到,不会出现类等无法访问的问题。

(2)准备:给类的静态变量分配内存,并设置默认初始值。

(3)解析:将类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用,该阶段会把一些静态方法(符号引用,比如main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用),这是所谓的静态链接过程(类加载期间完成),动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。
符号引用:符号引用是以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何的字面形式的字面量,只要不会出现冲突能够定位到就行。布局和内存无关。
直接引用:是指向目标的指针,偏移量或者能够直接定位的句柄。该引用是和内存中的布局有关的,并且一定加载进来的。

●初始化:对类的静态变量初始化为指定的值,执行静态代码块
图片描述
类被加载到方法区中后主要包含 运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的引用、对应class实例的引用等信息。
类加载器的引用:这个类到类加载器实例的引用。
对应class实例的引用:类加载器在加载类信息放到方法区中后,会创建一个对应的Class 类型的对象实例放到堆(Heap)中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。
注意,主类在运行过程中如果使用到其它类,会逐步加载这些类。
jar包或war包里的类不是一次性全部加载的,是使用到时才加载。
从下面的实例代码可以看出,并不会一次性全部加载完,需要用到的时候才会加载调用。代码:TestClassLoad.java

public class TestClassLoad {
    //定义一个静态代码块
    static {
        System.out.println("************我是静态代码块1**************");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new A();  //将会加载类A
        System.out.println("*************load test************");
        B b = null; //B不会加载,除非这里执行 new B()
    }


}

class A{
    static {
        System.out.println("**************我是类A中的静态代码块***********");
    }

    public A(){
        System.out.println("**************我是类A的构造方法***************");
    }
}

class B{
    static {
        System.out.println("**************我是类A中的静态代码块***********");
    }

    public B(){
        System.out.println("**************我是类A的构造方法***************");
    }
}

类加载时机:

(1)创建类的实例,也就是new一个对象时
(2)访问某个类或接口的静态变量时,或者对该静态变量赋值时
(3)调用类的静态方法时
(4)反射Class.forName("java.lang.String ")
(5)初始化一个类的子类(会首先初始化子类的父类)时
(6)JVM启动时标明的启动类,即文件名和类名相同的那个类
除此之外,形需要特别指出的是:
对于一个final类型的静态变量,如果该变量的值在编译时就可以确定下来,那么这个变量相当于“宏变量”。Java编译器会在编译时直接把这个变量出现的地方替换成它的值,因此即使程序使用该静态变量,也不会导致该类的初始化。反之,如果final类型的静态变量的值不能在编译时确定下来,则必须等到运行时才可以确定该变量的值,如果通过该类来访问它的静态变量,则会导致该类被初始化。

二 类加载器

类加载器负责加载所有的类,并为其所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载到JVM中,同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样,一个被载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中,一个类用其全限定类名(包括包名和类名)作为标识;但在JVM中,一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。
上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的,Java里有如下几种类加载器:
(1)启动类加载器(Bootstrap Classloader):负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库,比如rt.jar、charsets.jar等, 是用原生代码来实现的,并不继承自 java.lang.ClassLoader(负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class,由C++实现,不是ClassLoader子类)。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节,开发者无法直接获取到启动类加载器的引用,所以不允许直接通过引用进行操作。
启动类加载器主要加载路径:JRE的lib目录下的jar包
代码:ClassLoaderTest.java
(2)扩展类加载器(Extension Classloader):负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR类包
扩展类加载器主要加载路径:JRE的lib/ext目录下的jar包
(3)应用程序类加载器(Application Classloader):负责加载ClassPath路径下的类包,主要就是加载你自己写的那些类
应用类加载器主要加载路径:ClassPath路径下指定的目录
(4)自定义加载器(User Classloader):负责加载用户自定义路径下的类包
自定义类加载器主要加载路径:加载用户指定目录下的class
实例代码:TestJDKClassLoader.java

package com.java1;

import java.net.URL;

/**
 * Jdk类加载器
 */
public class TestJDKClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println();

        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();  //应用类加载器
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();   //扩展类加载器
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();  //启动类加载器
        System.out.println("启动类加载器:" + bootstrapLoader);
        System.out.println("扩展类加载器:" + extClassloader);
        System.out.println("应用类加载器:" + appClassLoader);
        System.out.println();

        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件:");
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        /*for(URL url : urls){
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }*/
        for(int i = 0; i < urls.length; i++){
            System.out.println(urls[i]);
        }
        System.out.println();

        System.out.println("extClassloader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));
        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件:");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

三 类加载器初始化过程

参见类运行加载全过程图可知其中会创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher。
sun.misc.Launcher初始化使用了单例模式设计,保证一个JVM虚拟机内只有一个sun.misc.Launcher实例。
在Launcher构造方法内部,其创建了两个类加载器,分别是sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应用类加载器)。
JVM默认使用Launcher的 getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们的应用程序。
Launcher源码如下:

//Launcher的构造方法
 public Launcher() {
        Launcher.ExtClassLoader var1;
        try {
            //构造扩展类加载器,在构造的过程中将其父加载器设置为null
            var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
        } catch (IOException var10) {
            throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
        }

        try {
            //构造应用类加载器,在构造的过程中将其父加载器设置为ExtClassLoader
            //Launcher的loader属性值是AppClassLoader,我们一般都是用这个类加载器来加载我们自己写的应用类程序
            this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
        } catch (IOException var9) {
            throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
        }

        Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
        String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
        if(var2 != null) {
            SecurityManager var3 = null;
            if(!"".equals(var2) && !"default".equals(var2)) {
                try {
                    var3 = (SecurityManager)this.loader.loadClass(var2).newInstance();
                } catch (IllegalAccessException var5) {
                    ;
                } catch (InstantiationException var6) {
                    ;
                } catch (ClassNotFoundException var7) {
                    ;
                } catch (ClassCastException var8) {
                    ;
                }
            } else {
                var3 = new SecurityManager();
            }

            if(var3 == null) {
                throw new InternalError("Could not create SecurityManager: " + var2);
            }

            System.setSecurityManager(var3);
        }

    }

四 双亲委派机制

JVM类加载器是有亲子层级结构的,如下图
图片描述

这里类加载其实就有一个双亲委派机制,加载某个类时会先委托父加载器寻找目标类,找不到再委托上层父加载器加载,如果所有父加载器在自己的加载类路径下都找不到目标类,则在自己的类加载路径中查找并载入目标类。
比如我们的HelloWorld.java类,最先会找应用程序类加载器加载,应用程序类加载器会先委托扩展类加载器加载,扩展类加载器再委托启动类加载器,顶层启动类加载器在自己的类加载路径里找了半天没找到HelloWorld.java类,则向下退回加载HelloWorld.java类的请求,扩展类加载器收到回复就自己加载,在自己的类加载路径里找了半天也没找到HelloWorld.java类,又向下退回HelloWorld.java类的加载请求给应用程序类加载器,应用程序类加载器于是在自己的类加载路径里找HelloWorld.java类,结果找到了就自己加载了。。
双亲委派机制说简单点就是,先找父亲加载,不行再由儿子自己加载
我们来看下应用程序类加载器AppClassLoader加载类的双亲委派机制源码,AppClassLoader的loadClass方法最终会调用其父类ClassLoader的loadClass方法,该方法的大体逻辑如下:

  1. 首先,检查一下指定名称的类是否已经加载过,如果加载过了,就不需要再加载,直接返回。
  2. 如果此类没有加载过,那么,再判断一下是否有父加载器;如果有父加载器,则由父加载器加载(即调用parent.loadClass(name, false);).或者是调用bootstrap类加载器来加载。
  3. 如果父加载器及bootstrap类加载器都没有找到指定的类,那么调用当前类加载器的findClass方法来完成类加载。
    loadClass源码如下:
//ClassLoader的loadClass方法,里面实现了双亲委派机制
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // 检查当前类加载器是否已经加载了该类
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {  //如果当前加载器父加载器不为空则委托父加载器加载该类
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {   //如果当前加载器父加载器为空,则委托启动类加载器加载该类
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //都会调用URLClassLoader的findClass方法在加载器的类路径里查找并加载该类
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {   //不会执行
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

为什么要设计双亲委派机制?

(1)沙箱安全机制:自己写的java.lang.String.class类不会被加载,这样便可以防止核心API库被随意篡改
(2)避免类的重复加载:当父亲已经加载了该类时,就没有必要子ClassLoader再加载一次,保证被加载类的唯一性 。 下面的实例代码,就能体现沙箱安全机制。 实例代码:String.java

package java.lang;

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

报错信息如下:

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

全盘负责委托机制:

“全盘负责”是指当一个ClassLoder装载一个类时,除非显示的使用另外一个ClassLoder,该类所依赖及引用的类也由这个ClassLoder载入。

五 自定义类加载器

java.lang.ClassLoader类中有两个核心方法,一个是loadClass(String, boolean),实现了双亲委派机制,还有一个方法是findClass,默认实现是空方法。
在实际开发中,如果我们需要自定义类加载器,步骤如下:
(1)需要继承 java.lang.ClassLoader 类
(2)重写ClassLoader类的findClass方法
下面我们自定义一个类加载器,实例代码如下:
MyClassLoaderTest.java

package com.java1;

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

/**
 * 自定义类加载器
 * (1)需要继承 java.lang.ClassLoader 类
 * (2)重写ClassLoader类的findClass方法
 */
public class MyClassLoaderTest {

    static class MyClassLoader extends ClassLoader{
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath){
            this.classPath = classPath;
        }

        //加载字节码文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception{
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        //重写findClass方法
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象,这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //初始化自定义类加载器,会先初始化父类ClassLoader,其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("D:\\test");  //自定义类加载器加载路径
        //D:\test   在D盘创建 com/Java1/ 几级目录,将User类的User1.class放入其中
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.java1.User1");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("toString", null);   //这里的toString是User1.java的中的方法名
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }

}

运行结果:com.java1.MyClassLoaderTest$MyClassLoader

到此我们就实现了自定义类加载器

六 打破双亲委派机制

java.lang.ClassLoader类中有两个核心方法,一个是loadClass(String, boolean),实现了双亲委派机制,还有一个方法是findClass,默认实现是空方法。
我们自定义一个类加载器,打破JDK提供的双亲委派机制,步骤如下:
(1)需要继承 java.lang.ClassLoader 类
(2)重写ClassLoader类的loadClass方法即可
下面再来一个沙箱安全机制示例,尝试打破双亲委派机制,用自定义类加载器加载我们自己实现的java.lang.String.class
实例代码:MyClassLoaderTest1.java

package com.java1;

import java.io.FileInputStream;
import java.lang.reflect.Method;

/**
 * 我们自定义一个类加载器,打破JDK提供的双亲委派机制,步骤如下:
 (1)需要继承 java.lang.ClassLoader 类
 (2)重写ClassLoader类的loadClass方法即可
 */
public class MyClassLoaderTest1 {
    static class MyClassLoader extends ClassLoader{
        private String classPath;

        public MyClassLoader(String classPath){
            this.classPath = classPath;
        }

        //加载字节码文件
        private byte[] loadByte(String name) throws Exception{
            name = name.replaceAll("\\.", "/");
            FileInputStream fis = new FileInputStream(classPath + "/" + name + ".class");
            int len = fis.available();
            byte[] data = new byte[len];
            fis.read(data);
            fis.close();
            return data;
        }

        //重写findClass方法
        protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException{
            try {
                byte[] data = loadByte(name);
                //defineClass将一个字节数组转为Class对象,这个字节数组是class文件读取后最终的字节数组。
                return defineClass(name, data, 0, data.length);
            }catch (Exception e){
                e.printStackTrace();
                throw new ClassNotFoundException();
            }
        }

        //重写类加载方法,实现自己的加载逻辑,不委派给双亲加载
        protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException
        {
            synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
                // First, check if the class has already been loaded
                Class<?> c = findLoadedClass(name);
                if (c == null) {
                     //删除原有的逻辑
                    long t0 = System.nanoTime();
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    //实现自己的逻辑
                    if(!name.startsWith("com.java1")){   //只有是com.java1包下的类,就调用自定义的加载器加载
                        c =   this.getParent().loadClass(name);   //如果不是com.java1包下的,就调用父类加载机制
                    }else{
                        c = findClass(name);  //调用自己的加载器 打破双亲委派机制
                    }
                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
                if (resolve) {
                    resolveClass(c);
                }
                return c;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //初始化自定义类加载器,会先初始化父类ClassLoader,其中会把自定义类加载器的父加载器设置为应用程序类加载器AppClassLoader
        MyClassLoaderTest1.MyClassLoader classLoader = new MyClassLoaderTest1.MyClassLoader("D:\\test");  //自定义类加载器加载路径
        //尝试用自己改写类加载机制去加载自己写的com.java1.User1
        Class clazz = classLoader.loadClass("com.java1.User1");
        Object obj = clazz.newInstance();
        Method method = clazz.getDeclaredMethod("toString", null);   //这里的toString是User1.java的中的方法名
        method.invoke(obj, null);
        System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
    }
}

运行结果:com.java1.MyClassLoaderTest1$MyClassLoader
可能遇到的错误:图片描述

错误1:java.io.FileNotFoundException: D:\test\java\lang\Object.class (系统找不到指定的路径。)
原因:JDK沙箱安全机制,JDK的核心包类是不允许在外面自己加载的,为了防止安全问题
到此我们就实现了一个简单的打破JDK双亲委派机制的实例。

以上就是JVM类加载相关的知识点!

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