上篇文章中我们知道了JVM
是个啥?这篇文章(通篇文章都是以HotSpot JVM
为例)就让我们来了解一下类加载子系统(ClassLoader
)--负责从文件系统或者网络中加载Class
字节码文件,并将加载的类信息(DNA元数据模版,jvm会根据这个模版实例化出n个一模一样的实例)存放于“方法区”(接下来的文章中会做具体的介绍)中。ClassLoader
只负责文件的加载,而文件是否可以运行,则由执行引擎(Exection Engine
,接下来的文章中会做具体的介绍)决定。
下图是类加载子系统构造图:
类加载子系统
类加载过程
加载流程
java.lang.Class
对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。加载.class
文件的方式
Web Applet
;jar
、war
格式的基础;jsp
应用;.class
文件,比较少见;Class
文件被反编译的保护措施。(1)验证(Verify)
Class
文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求,保证被加载类的正确性,不会危害虚拟机的自身安全。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。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合类型的常量。
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的语言语法的规范。
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。主要的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危害出现。
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,主要去确定访问类型等涉及到引用的情况,主要是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。
★
java
虚拟机字节码文件起始编码CAFEBABE(使用Binary Viewer
软件) ”
(2)准备(Prepare)
public class HelloWord{
//准备阶段:a=0 -> 初始化阶段:a=1
private static int a = 1;
public static void main(){
System.out.println(a);
}
}
final
修饰的static
,因为final
在编译的时候就会分配了,准备阶段会显示初始化;java
堆中。(3)解析(Resolve)
将常量池内的符号引用(符号引用就是一组符号来描述所引用的目标)转换为直接引用(直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个简洁定位到目标的句柄)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。解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT_Class_info
、CONSTANT_Fieldref_info
、CONSTANT_Methodref_info
等。
★解析的执行过程等后边讲到字节码文件时再做具体解释。 ”
<clinit>()
的过程。此方法不需要定义,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。构造器方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。<clinit>()
不同于类的构造器,构造器是虚拟机视角下的<init>()
。<clinit>()
执行前,父类的<clinit>()
已经执行完毕。<clinit>()
方法在多线程下被同步加锁。样例:
字节码阅读器插件
在未定义前进行调用会导致“非法前向引用”错误
java程序对类的使用方式可以分为两种:
1. 主动使用
java.lang.invoke.MethodHandle
实例的解析结果,REF_getStatic
、REF_putStatic
、REF_invokeStatic
句柄对应的类没有初始化,则初始化。2. 被动使用:除了以上七种情况,其他都被看作是类的被动使用,都不会导致类的初始化。
JVM支持两种类型的类加载器,分别为引导类加载器(Bootstrap ClassLoader
)和自定义加载器(User-Defined ClassLoader
),他们之间不是继承关系,而是包含关系。
引导类加载器
引导类加载器又称为启动类加载器,该类是使用C/C++
语言实现的,嵌套在JVM
内部。它用来加载Java
的核心类库(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar
、resources.jar
或sun.boot.class.path
路径下的内容),用于提供jvm
自身需要的类,出于安全考虑,Bootstrap
启动类只加载包名为java
、javax
、sun
等开头的类。它并不继承自java.lang.ClassLoader
,没有父加载器。
//String属于java的核心类库--->使用引导类加载器进行加载
ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1);//null
自定义加载器
自定义加载器是指所有派生于抽象类CLassLoader
的类加载器,它分为扩展类加载器、应用程序(系统)加载器、用户自定义加载器。
(1)扩展类加载器
java语言编写,由sun.misc.Launcher.ExtClassLoader
实现。其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(扩展目录)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。
(2)系统加载器
java语言编写,由sun.misc.Launcher.AppClassLoader
实现。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。
//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@4554617c
//获取引导类加载器
ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
System.out.println(bootstrapClassLoader);//null
(3)用户自定义加载器
开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader
,并实现findClass()
方法来实现自定义类加载器。在编写自定义类加载器时,如果没有太过于复杂的需求,可以直接继承URLClassLoader
类,这样就可以避免自己去编写findClass()
方法及其获取字节码流的方式,使自定义类加载器编写更加简洁。
//用户自定义类:默认使用系统类加载器进行加载
ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
为什么要自定义加载器?
获取
ClassLoader
:clazz.getClassLoader()
;ClassLoader
:Thread.currentThread().getContextClassLoader()
;ClassLoader
:ClassLoader.getSystemClassLoader()
;ClassLoader
:DriverManager.getCallerClassLoader()
;API
com.smart.bean.Car
。该方法有一个重载方法 loadClass(String name,boolean resolve)``,
resolve`参数告诉类装载时候需要解析该类,在初始化之前,因考虑进行类解析的工作,但并不是所有的类都需要解析。如果JVM只需要知道该类是否存在或找出该类的超类,那么就不需要进行解析。java.lang.Class
对象。字节数组可以从本地文件系统、远程网络获取。参数name为字节数组对应的全限定类名。Class
文件。如果本地系统不存在该Class
文件。则抛出ClassNotFoundException
异常。该方法是JVM默认使用的装载机制ClassLoader
是否已载入某个类。如果已载入,那么返回java.lang.Class
对象;否则返回null
。如果强行装载某个已存在的类,那么则抛出链接错误。ExtClassLoader
的父装载器是根装载器,因为根装载器非java
语言编写,所以无法获取,将返回null
。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。
双亲委派原理
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。
ClassLoader
再加载一次。如图所示,我们创建java.lang.String
类,当在加载自定义类的时候会先使用引导类加载器加载,而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk
自带的文件(rt.jar
包中的java/lang/String.class
)。报错信息说没有main
方法,就是因为加载的是rt.jar
包下的String
类。这样我们就能保证对java
的核心源代码进行保护,这就是沙箱安全机制。由此可知JVM
中判断两个Class
对象是否是同一个类存在两个必要条件:一是类的完整类名必须保持一致,包括包名;二是加载该类的类加载器必须相同。
JVM
必须知道一个类是由启动类加载器还是用户类加载器加载的,如果一个类是由用户类加载器加载的,那么jvm
会将这个类加载器的一个引用作为类信息的一部分保存到方法区中,当解析一个类到另一个类的引用的时候,jvm
需要保证两个类的类加载器是相同的。