【从零开始学JVM】第二章_类加载器子系统

文章目录

第二章_类加载器子系统
1.JVM架构
2.类加载过程
3.类加载器分类
- 3.1虚拟机自带的加载器
- - 3.1.1启动类加载器
  - 3.1.2扩展类加载器
  - 3.1.3系统类加载器
  - ==3.1.4小结（重要）==
- 3.2用户自定义的类加载器
- - 3.2.1自定义类加载器的原因
  - 3.2.2实现步骤
  - 3.2.3ClassLoader讲解
  - - （1）获取ClassLoader的途径
4.双亲委派机制
- 4.1工作原理
- 4.2测试
- 4.3优缺点
5.沙箱安全机制
6.补充：
- 6.1判断
- 6.2类的主动使用和被动使用

第二章_类加载器子系统

1.JVM架构

回顾JVM的架构：类加载器子系统、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口、本地方法库

类加载器子系统，如图：

类加载器子系统：从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识（CA FE BA BE）
加载class文件的方式

从本地系统中直接加载

通过网络获取，典型场景：Web Applet

从zip压缩包中读取，成为日后jar，war格式的基础

运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术

有其他文件生成，典型场景：JSP应用

从专有数据库中提取class文件，比较少见

从加密文件中获取，典型的防class文件被反编译的保护措施

ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Rngine决定

加载的类信息存放在一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能好包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）

2.类加载过程

类的加载过程：加载、链接（包含验证、准备、解析）、初始化

加载：查找并加载类的二进制数据。

链接：将类的二进制数据合并到JVM的运行时状态中。

初始化：为类变量分配内存，并设定类变量的初始

类加载过程和main代码执行过程如图：

在这里插入图片描述

加载

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流

将这个字节流所代表的的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构

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

链接

验证（Vertify）

目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全

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

准备（Prepare）

为==类变量==分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值

这里不包含用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

这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区，而实例变量会随着对象一起分配到java堆中

解析（Resolve）

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。

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

符号引用就是一组符号来描述所引用的目标，符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范内》的Class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针，相对偏移量或一个到目标的句柄

解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等，对应常量池中CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等
初始化
初始化阶段
就是执行类构造器方法()的过程

此方法不需定义，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
构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。（链接的准备阶段已经分配好内存了）
public class ClassInitTest {
   private static int num = 1;

   static{
       num = 2;
       number = 20;
       System.out.println(num);
       //System.out.println(number);//报错：非法的前向引用。
   }

   private static int number = 10;  //linking之prepare: number = 0 --> initial: 20 --> 10

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);//2
        System.out.println(ClassInitTest.number);//10
    }
}
()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的()）

若该类具有父类，JVM会保证子类的()执行前，父类的()已经执行完毕

虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁（只执行一次）

3.类加载器分类

JVM支持两种类型的类加载器，分别为 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和 自定义类加载器（User-Define ClassLoader）
从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的类加载器，但是java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器
无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个（从上往下：引导类加载器、扩展类加载器、系统类加载器），如下所示

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {

        //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@1540e19d

        //获取其上层：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null

        //对于用户自定义类来说：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

        //String类使用引导类加载器进行加载的。---> Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null


    }
}

执行结果：

3.1虚拟机自带的加载器

3.1.1启动类加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）
- 使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
- 用来加载java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容）
- 不继承java.lang.ClassLoader,没有父加载器
- 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器
- 出于安全考虑，BootStrap启动类加载器只加载包名为java，javax，sun等开头的类

3.1.2扩展类加载器

扩展类加载器（Extension ClassLoader）
java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
派生于ClassLoader类
父类加载器启动类加载器
从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK安装目录的jre/lib/ext子目录中（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

3.1.3系统类加载器

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）
- java编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
- 派生于ClassLoader类
- 父类加载器父启动类加载器
- 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，java应用的类都是由它来完成加载
  通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

3.1.4小结（重要）

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）：它是JVM自带的类加载器，用于加载Java的核心类库，如java.lang、java.util等。

扩展类加载器（Extension ClassLoader）：它是由Sun的ExtClassLoader实现的，用于加载Java的扩展类库，默认加载JAVA_HOME/jre/lib/ext/目录下的jar包。

系统类加载器（System ClassLoader）：它也叫应用程序类加载器（Application ClassLoader），是由Sun的AppClassLoader实现的，用于加载当前应用程序的classpath下的所有类。

3.2用户自定义的类加载器

3.2.1自定义类加载器的原因

隔离加载类

修改类加载的方式

扩展加载源

防止源码泄露

3.2.2实现步骤

继承ClassLoader

JDK1.2之前，重写loadClass（）方法，1.2之后重写findClass（）方法

如果没有太复杂的需求，可直接继承URLClassLoader，可避免自己去编写findClass（）方法及其获取字节码流的方式

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if(result == null){
                throw new FileNotFoundException();
            }else{
                return defineClass(name,result,0,result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name){
        //从自定义路径中加载指定类:细节略
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密，则需要在此方法中进行解密操作。
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One",true,customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

3.2.3ClassLoader讲解

ClassLoader是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）

（1）获取ClassLoader的途径

获取当前类的ClassLoader：Clazz.getClassLoader()

获取当前线程上下文的ClassLoader：Thread.currentThread().getContextClassLoader()

获取系统的ClassLoader：ClassLoader.getSystemClassLoader()

获取调用者的ClassLoader：DriverManager.getCallerClassLoader()

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.获取String类的ClassLoader
            //Java中的一些核心类如String、Object、Class等是由Bootstrap ClassLoader加载的
            //引导类加载器是由本地代码实现的，它并不是一个Java类，因此在Java代码中无法获得它的引用，因此，当你尝试获取String类的ClassLoader时，返回的结果是null。
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);    //null

            //2.获取当前线程上下文的ClassLoader
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);   //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

            //3.获取系统的ClassLoader
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader();
            System.out.println(classLoader2);   //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

注意：线程上下文的ClassLoader和系统ClassLoader都属于系统类加载器，也就是AppClassLoader。它们都是在应用程序启动时被创建的，用于加载应用程序中的类及其依赖的其他类

4.双亲委派机制

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**，即把请求由父类处理，它是一种任务委派模式

4.1工作原理

如果一个类加载器收到类加载的请求，他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

在这里插入图片描述

4.2测试

package java.lang;

/**
 * @Author Linhaipeng
 * @Date 2024/2/15 9:59
 * @Version 1.0
 */

public class String {
    //
    static{
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello,java.lang.String");
    }
}

测试结果如图：

分析：定义一个名为String的类时，根据双亲委派机制，当程序在运行时需要加载String类时，系统类加载器（AppClassLoader）会先委托给其父类加载器（通常是扩展类加载器，再往上是引导类加载器）去尝试加载。由于Java核心类库中已经存在java.lang.String类，因此父类加载器会成功加载这个类，而不会尝试使用你自定义的String类。因此，双亲委派机制间接保证了Java核心类库中的类不会受到用户自定义类的影响。

4.3优缺点

优点：

避免重复加载：如果一个类已经被某个类加载器加载了，那么其它类加载器就不需要再次加载该类，这样可以避免出现多个相同的类实例的问题。

确保类的唯一性：由于父类加载器优先加载，因此可以确保每个类只有一个版本，防止出现不同版本的类实例的问题。

安全性：双亲委派机制可以保证Java核心类库不会被篡改，提高了Java程序的安全性。

灵活性：通过自定义类加载器，可以实现对类的特殊加载方式，如从网络或数据库中加载类。

缺点：

灵活性受限：由于父类加载器优先加载，因此某些特殊的类加载方式可能无法实现。

性能问题：由于每次加载类都要委托给父类加载器去尝试加载，可能会导致加载速度变慢，从而影响程序性能。。

5.沙箱安全机制

自定义String类，但是在加载自定义String类的时候会率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java\lang\String.class）,报错信息说没有main方法是因为加载的是rt.jar包中的String类。

这样可以保证对java核心源代码的保护，这就是==沙箱安全机制==

6.补充：

6.1判断

在JVM中判断两个class对象是否为同一个类：

类的 完整类名 必须一致，包括包名
加载这个类的 ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同

6.2类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为:主动使用和被动使用。

主动使用，又分为七种情况:

创建类的实例

访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

调用类的静态方法

反射(比如:Class.forName(“com.atguigu.Test”))

始化一个类的子类

Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

JDK 7开始提供的动态语言支持:
java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF getstatic、REr putstatic、REF invokestatic句柄对应的类没有初始化，则初始化

被动使用：除了以上7种情况的主动使用以外，其他使用Java类的方式都是对类的被动使用，不会导致类的初始化