关于JVM类加载机制,看这一篇就够了

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类的加载机制

Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

类的生命周期

类从被加载到虚拟机内存中开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括:加载,验证,准备,解析,初始化,使用,卸载这7个阶段.其中其中验证、准备、解析3个部分统称为连接.

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加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的,类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始,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再开始,这是为了支持Java语言的运行时绑定特性(也称为动态绑定或晚期绑定)

注意,这里的几个阶段是按顺序开始,而不是按顺序进行或完成,因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的,通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

加载:查找并加载类的二进制数据

在加载阶段,虚拟机需要完成以下3件事情:

  • 1)通过一个类的全限定名来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。

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验证:确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步,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: 验证字节流是否符合Class文件格式的规范;例如: 是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
  • 元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析(注意: 对比javac编译阶段的语义分析),以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求;例如: 这个类是否有父类,除了java.lang.Object之外。
  • 字节码验证:通过数据流和控制流分析,确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
  • 符号引用验证:确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的,但不是必须的,它对程序运行期没有影响,如果所引用的类经过反复验证,那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施,以缩短虚拟机类加载的时间。

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,这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配

该阶段的注意事项:

  • 这时候进行内存分配的仅包括类变量(被static修饰的变量),而不包括实例变量,实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在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00Lnullfalse等),而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

比如:假设一个类变量的定义为: public static int value = 3;那么变量value在准备阶段过后的初始值为0,而不是3,因为这时候尚未开始执行任何Java方法,而把value赋值为3的put static指令是在程序编译后,存放于类构造器()方法之中的,所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

  • 对基本数据类型来说,对于类变量(static)和全局变量,如果不显式地对其赋值而直接使用,则系统会为其赋予默认的零值,而对于局部变量来说,在使用前必须显式地为其赋值,否则编译时不通过。

  • 对于同时被staticfinal修饰的常量,必须在声明的时候就为其显式地赋值,否则编译时不通过;而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值,也可以在类初始化时显式地为其赋值,总之,在使用前必须为其显式地赋值,系统不会为其赋予默认零值。

  • 对于引用数据类型reference来说,如数组引用、对象引用等,如果没有对其进行显式地赋值而直接使用,系统都会为其赋予默认的零值,即null

  • 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值,那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

  • 如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性,即同时被final和static修饰,那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。假设上面的类变量value被定义为: public static final int value = 3;编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性,在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为3。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

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,解析动作主要针对接口字段类方法接口方法方法类型方法句柄调用点限定符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。

初始化:对类的静态变量,静态代码块执行初始化操作

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。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式:

  • 声明类变量是指定初始值
  • 使用静态代码块为类变量指定初始值

类初始化的步骤

  • 假如这个类还没有被加载和连接,则程序先加载并连接该类
  • 假如该类的直接父类还没有被初始化,则先初始化其直接父类
  • 假如类中有初始化语句,则系统依次执行这些初始化语句

触发类初始化的时机

只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化,类的主动使用包括以下六种:

  • 使用new关键字实例化对象的时候。

  • 读取或设置一个类型的静态字段(被final修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外)的时候。

  • 调用一个类型的静态方法的时候。

  • 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候,如果类型没有进行过初始化,则需要先触发其初始化。

  • 当初始化类的时候,如果发现其父类还没有进行过初始化,则需要先触发其父类的初始化。

  • 当虚拟机启动时,用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类),虚拟机会先初始化这个主类。

以下几种情况不会执行类初始化

  1. 通过子类引用父类的静态字段,只会触发父类的初始化,而不会触发子类的初始化。

  2. 定义对象数组,不会触发该类的初始化。

  3. 常量在编译期间会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用定义常量的类,不会触

发定义常量所在的类。

  1. 通过类名获取 Class 对象,不会触发类的初始化。

  2. 通过 Class.forName 加载指定类时,如果指定参数 initialize 为 false 时,也不会触发类初

始化,其实这个参数是告诉虚拟机,是否要对类进行初始化。

  1. 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 方法,也不会触发初始化动作。

使用

类访问方法区内的数据结构的接口, 对象是Heap区的数据。

卸载

Java虚拟机将结束生命周期的几种情况

  • 执行了System.exit()方法
  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

类加载器

什么是类加载器

虚拟机设计团队把类加载阶段中的“通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流”这个动作放到Java虚拟机外部去实现,以便让应用程序自己决定如何去获取所需要的类。 实现这个动作的代码模块称为“类加载器”。

类加载器的层次

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双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。

从Java虚拟机的角度来讲,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器(Bootstrap ClassLoader),这个类加载器使用C++语言实现,是虚拟机自身的一部分;另一种就是所有其他的类加载器,这些类加载器都由Java语言实现,独立于虚拟机外部,并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

从Java开发人员的角度来看,类加载器还可以划分得更细致一些,绝大部分Java程序都会使用到以下3种系统提供的类加载器:

启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)

这个类将器负责将存放在<JAVA_HOME>\lib目录中的,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中的,并且是虚拟机识别的(按照文件名识别,如rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类库加载到虚拟机内存中。

扩展类加载器(Extension ClassLoader)

这个加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现,它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中的,或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中的所有类库,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)

这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem-ClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。

它负责加载用户类路径(ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。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。

我们的应用程序都是由这3种类加载器互相配合进行加载的,如果有必要,还可以加入自己定义的类加载器。

类加载的三种方式

  1. 命令行启动应用时候由JVM初始化加载
  2. 通过Class.forName()方法动态加载
  3. 通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载

代码示例:

public class loaderTest { 
        public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { 
                ClassLoader loader = HelloWorld.class.getClassLoader(); 
                System.out.println(loader); 
                //使用ClassLoader.loadClass()来加载类,不会执行初始化块 
                loader.loadClass("Test2"); 
                //使用Class.forName()来加载类,默认会执行初始化块 
//                Class.forName("Test2"); 
                //使用Class.forName()来加载类,并指定ClassLoader,初始化时不执行静态块 
//                Class.forName("Test2", false, loader); 
        } 
}

public class Test2 { 
        static { 
                System.out.println("静态初始化块执行了!"); 
        } 
}
复制代码

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。

  • Class.forName(name, initialize, loader)带参函数也可控制是否加载static块。并且只有调用了newInstance()方法采用调用构造函数,创建类的对象 。

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。这就是为什么修改了Class后,必须重启JVM,程序的修改才会生效。

双亲委派机制

双亲委派模型的工作过程是: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,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载。

举例如下:

  1. 当AppClassLoader加载一个class时,它首先不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。
  2. 当ExtClassLoader加载一个class时,它首先也不会自己去尝试加载这个类,而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。
  3. 如果BootStrapClassLoader加载失败(例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class),会使用ExtClassLoader来尝试加载;
  4. 若ExtClassLoader也加载失败,则会使用AppClassLoader来加载,如果AppClassLoader也加载失败,则会报出异常ClassNotFoundException。

类的双亲委派机制

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上图展示的类加载器之间的这种层次关系,称为类加载器的双亲委派模型(Parents Delegation Model)。 双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应当有自己的父类加载器。 这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承(Inheritance)的关系来实现,而是都使用组合(Composition)关系来复用父加载器的代码

类加载器的双亲委派模型在JDK1.2期间被引入并被广泛应用于之后几乎所有的Java程序中,但它并不是一个强制性的约束模型,而是Java设计者推荐给开发者的一种类加载器实现方式.

双亲委派模型的工作过程是: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,而是把这个请求委派给父类加载器去完成,每一个层次的类加载器都是如此,因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中,只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求(它的搜索范围中没有找到所需的类)时,子加载器才会尝试自己去完成加载。

使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系,有一个显而易见的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类,最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果没有使用双亲委派模型,由各个类加载器自行去加载的话,如果用户自己编写了一个称为java.lang.Object的类,并放在程序的ClassPath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,Java类型体系中最基础的行为也就无法保证,应用程序也将会变得一片混乱。

双亲委派优势

  • 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

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双亲委派代码实现

public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {
            return loadClass(name, false);
    }
    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
            // 首先判断该类型是否已经被加载
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                //如果没有被加载,就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
                try {
                    if (parent != null) {
                         //如果存在父类加载器,就委派给父类加载器加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                    //如果不存在父类加载器,就检查是否是由启动类加载器加载的类,通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                        c = findBootstrapClass0(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                 // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务,才调用自身的加载功能
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
  
复制代码

这段代码的逻辑清晰易懂:先检查请求加载的类型是否已经被加载过,若没有则调用父加载器的loadClass()方法,若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。假如父类加载器加载失败,抛出ClassNotFoundException异常的话,才调用自己的findClass()方法尝试进行加载。

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,从上面对 loadClass 方法来分析来看,我们只需要重写 findClass 方法即可。

下面我们通过一个示例来演示自定义类加载器的流程:

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取,如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示,我并未对class文件进行加密,因此没有解密的过程。

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

    private String root;

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
        String fileName = root + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 1024;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int length = 0;
            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, length);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public String getRoot() {
        return root;
    }

    public void setRoot(String root) {
        this.root = root;
    }

    public static void main(String[] args)  {

        MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader();
        classLoader.setRoot("D:\\temp");

        Class<?> testClass = null;
        try {
            testClass = classLoader.loadClass("com.pdai.jvm.classloader.Test2");
            Object object = testClass.newInstance();
            System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}
  
复制代码

这里有几点需要注意 :

  1. 这里传递的文件名需要是类的全限定性名称,即com.pdai.jvm.classloader.Test2格式的,因为 defineClass 方法是按这种格式进行处理的。
  2. 最好不要重写loadClass方法,因为这样容易破坏双亲委托模式。
  3. 这类Test 类本身可以被 AppClassLoader 类加载,因此我们不能把com/pdai/jvm/classloader/Test2.class 放在类路径下。否则,由于双亲委托机制的存在,会直接导致该类由 AppClassLoader 加载,而不会通过我们自定义类加载器来加载。
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