连 JVM 类加载机制都扯不清楚,还想成为架构师?

这篇文章不聊别的,专门来侃侃JVM的类加载机制

一、概念


类加载器把class文件中的二进制数据读入到内存中,存放在方法区,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。

Ⅰ、加载:

查找并加载类的二进制数据(把class文件里面的信息加载到内存里面)

Ⅱ、连接:

把内存中类的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中

1.验证:

确保被加载的类的正确性,包括

  • 类文件的结构检查:检查是否满足Java类文件的固定格式
  • 语义检查:确保类本身符合Java的语法规范
  • 字节码验证:确保字节码流可以被Java虚拟机安全的执行。字节码流是操作码组成的序列。每一个操作码后面都会跟着一个或者多个操作数。字节码检查这个步骤会检查每一个操作码是否合法。
  • 二进制兼容性验证:确保相互引用的类之间是协调一致的。

2.准备:

为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值

3.解析:

把类中的符号引用转化为直接引用(比如说方法的符号引用,是由方法名和相关描述符组成。在解析阶段,JVM把符号引用替换成一个指针,这个指针就是直接引用,它指向该类的该方法在方法区中的内存位置)

Ⅲ、初始化:

为类的静态变量赋予正确的初始值。当静态变量的等号右边的值是一个常量表达式时,不会调用static代码块进行初始化。只有等号右边的值是一个运行时运算出来的值,才会调用static初始化。

二、双亲委派模型


1、将类加载请求向上传递。当一个类加载器收到类加载请求时,它首先不会自己去加载这个类的信息,而是把该请求转发给父类加载器,依次向上。

所以所有的类加载请求都会被传递到父类加载器中,只有当父类加载器中没有找到所需的类,子类加载器才会自己尝试去加载该类。

当前类加载器和所有父类加载器都无法加载该类时,抛出ClassNotFindException异常。

2、意义:提高系统的安全性。用户自定义的类加载器不可能加载应该由父加载器加载的可靠类。

比如用户定义了一个恶意代码,自定义的类加载器首先让系统加载器去加载,系统加载器检查该代码不符合规范,于是就不继续加载了。

3、定义类加载器:如果某个类加载器能够加载一个类,那么这个类加载器就叫做定义类加载器

4、初始类加载器:定义类加载器及其所有子加载器都称作初始类加载器。

5、运行时包

  • 由同一个类加载器加载并且拥有相同包名的类组成运行时包
  • 只有属于同一个运行时包的类,才能访问包可见(default)的类和类成员。
  • 其作用是限制用户自定义的类冒充核心类库的类去访问核心类库的包可见成员

6、加载两份相同class对象的情况:A 和 B 不属于父子类加载器关系,并且各自都加载了同一个类。

三、特点:


1.全盘负责:当一个类加载器加载一个类时,该类所依赖的其他类也会被这个类加载器加载到内存中。

2.缓存机制:所有的Class对象都会被缓存,当程序需要使用某个Class时,类加载器先从缓存中查找,找不到,才从class文件中读取数据,转化成Class对象,存入缓存中。

四、两种类型的类加载器


1、 JVM自带的类加载器(3种)

(1) 根类加载器(Bootstrap)

  • C++编写的,程序员无法在程序中获取该类
  • 负责加载虚拟机的核心库,比如java.lang.Object
  • 没有继承ClassLoader类

(2) 扩展类加载器(Extension)

  • Java编写的,从指定目录中加载类库
  • 父加载器是根类加载器
  • 是ClassLoader的子类
  • 如果用户把创建的jar文件放到指定目录中,也会被扩展加载器加载。

(3) 系统加载器(System)或者应用加载器(App)

  • Java编写的
  • 父加载器是扩展类加载器
  • 从环境变量或者class.path中加载类
  • 是用户自定义类加载的默认父加载器
  • 是ClassLoader的子类

2、 用户自定义的类加载器:

  • Java.lang.ClassLoader类的子类
  • 用户可以定制类的加载方式
  • 父类加载器是系统加载器
  • 编写步骤:
    • 继承ClassLoader
    • 重写findClass方法。从特定位置加载class文件,得到字节数组,然后利用defineClass把字节数组转化为Class对象
  • 为什么要自定义类加载器?
    • 可以从指定位置加载class文件,比如说从数据库、云端加载class文件
    • 加密:Java代码可以被轻易的反编译,因此,如果需要对代码进行加密,那么加密以后的代码,就不能使用Java自带的ClassLoader来加载这个类了,需要自定义ClassLoader,对这个类进行解密,然后加载。

五、PS:


问题:Java程序对类的执行有几种方式:

1、 主动使用(6种情况): // JVM必须在每个类“首次主动使用”的时候,才会初始化这些类。

  • 创建类的实例
  • 读写某个类或者接口的静态变量
  • 调用类的静态方法
  • 同过反射的API(Class.forName())获取类
  • 初始化一个类的子类
  • JVM启动的时候,被标明启动类的类(包含Main方法的类)

// 只有当程序使用的静态变量或者静态方法确实在该类中定义时,该可以认为是对该类或者接口的主动使用。

2、 被动使用:除了主动使用的6种情况,其他情况都是被动使用,都不会导致类的初始化。

3、 JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用的时候,就预先加载它

如果该class文件缺失或者存在错误,则在程序“首次 主动使用”时,才报告这个错误(Linkage Error错误)

如果这个类一直没有被程序“主动使用”,就不会报错。

类加载机制与接口

  • 当Java虚拟机初始化一个类时,不会初始化该类实现的接口。
  • 在初始化一个接口时,不会初始化这个接口父接口。
  • 只有当程序首次使用该接口的静态变量时,才导致该接口的初始化。

ClassLoader:调用Classloader的loadClass方法去加载一个类,不是主动使用,因此不会进行类的初始化。

类的卸载

  • 有JVM自带的三种类加载器(根、扩展、系统)加载的类始终不会卸载。因为JVM始终引用这些类加载器,这些类加载器使用引用他们所加载的类,因此这些Class类对象始终是可到达的。
  • 由用户自定义类加载器加载的类,是可以被卸载的。

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