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簡述Java虛擬機(jī)的類加載器以及類加載的全過程

紓寒 2021-08-13 12:08:18 瀏覽數(shù) (2282)
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1. 類加載子系統(tǒng)

 1.1 概述

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類加載子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從文件系統(tǒng)或者網(wǎng)絡(luò)中加載Class文件，Class文件在文件開頭有特定的文件標(biāo)識

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  • ClassLoader只負(fù)責(zé)class文件的加載，至于它是否可以運(yùn)行，則由Execution Engine 決定
  • 加載的類信息存放于一塊成為 ：方法區(qū)的內(nèi)存空間，除了類的信息外，方法區(qū)中還會存放運(yùn)行時(shí)常量池信息，可能還包括字符串字面量和數(shù)字常量（這部分常量信息是Class文件中常量池部分的內(nèi)存映射）

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字節(jié)碼中的常量池加載到 方法區(qū) -----> 運(yùn)行時(shí)常量池信息

1.2 類的加載器

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  • Class file（字節(jié)碼文件） 存在與本地磁盤上（硬盤），字節(jié)碼文件在執(zhí)行的時(shí)候是需要被加載到JVM的方法區(qū)中，再根據(jù)方法區(qū)中的這個(gè)類對象實(shí)例化出n個(gè)一模一樣的實(shí)例
  • Class file 加載到JVM中，被稱為DNA元數(shù)據(jù)模板，放在方法區(qū)。
  • 在Class文件 --> JVM -->最終成為元數(shù)據(jù)模板，此過程就要一個(gè)運(yùn)輸工具（類加載器 Class Loader），扮演一個(gè)快遞員的角色。

2.類的加載過程

2.1 類的加載過程簡圖

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2.2 加載階段：Loading

  • 通過一個(gè)類的全限定名獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流
  • 將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
  • 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表這個(gè)類的java.lang.Class對象，作為方法區(qū)這個(gè)類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口

小補(bǔ)充：加載字節(jié)碼文件（.class）的方式

  • 本地系統(tǒng)直接加載
  • 網(wǎng)絡(luò)獲?。篧eb Applet
  • jar、war包
  • 動態(tài)代理：運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成…

2.3 鏈接階段：Linking

驗(yàn)證（Verify）

  • 目的在于確保Class文件的字節(jié)流中包含信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)要求，保證被加載類的正確性，不會危害虛擬機(jī)自身安全
  • 主要包括四種驗(yàn)證：文件格式驗(yàn)證、元數(shù)據(jù)驗(yàn)證、字節(jié)碼驗(yàn)證、符號引用驗(yàn)證

準(zhǔn)備（Prepare）

  • 為類變量分配內(nèi)存并且設(shè)置該類變量的默認(rèn)初始值，即“零值”

在這里插入圖片描述

（在準(zhǔn)備階段 a = 0，到下一個(gè)階段（初始化階段）a = 1）
（不同的數(shù)據(jù)類型的變量默認(rèn)值不一樣，如 int =0 ,引用類型 = null）

  • 這里不包含用final 修飾的static，因?yàn)閒inal 在編譯的時(shí)候就會分配了，準(zhǔn)備階段會顯示初始化（final修飾的變量是：常量）
  • 這里不會為實(shí)例變量分配初始化，類變量會分配在方法區(qū)中，而實(shí)例變量是會隨著對象一起分配到Java堆中

解析（Resolve）

  • 將常量池內(nèi)的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程
  • 事實(shí)上，解析操作往往會伴隨著JVM在執(zhí)行完初始化之后再執(zhí)行
  • 符號引用：一組符號來描述所引用的目標(biāo)。符號引用的字面量形式明確定義在《Java 虛擬機(jī)規(guī)范》的Class 文件格式中
  • 直接引用：直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或者一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄
  • 解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型等。對應(yīng)常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等。

2.4 初始化階段：initialization

  • 初始化階段就是執(zhí)行類構(gòu)造器方法 clinit（）的過程，此方法不需要定義，是javac 編譯器自動收集類中的所有了變量的賦值動作和靜態(tài)代碼塊中的語句合并而來

例子1：

public class Test {
    private static int a=2;
    private static int b=20;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
        System.out.println(b);
    }
}

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例子2：

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("測試一下");
    }
}

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  • 構(gòu)造器方法中指令按語句在源文件中出現(xiàn)的順序執(zhí)行
  • clinit() 方法不同于類的構(gòu)造器。（關(guān)聯(lián)：構(gòu)造器是虛擬機(jī)視角下的 init()）
  • 若該類具有父類，JVM會保證子類的 clinit () 執(zhí)行前，父類的 clinit () 已經(jīng)執(zhí)行完畢
  • 虛擬機(jī)必須保證一個(gè)類的 clinit () 方法在多線程下被同步加鎖，虛擬機(jī)只會調(diào)用一次 clinit 方法，保證類只被加載一次

3.幾種類的加載器

  • JVM支持兩種類型的類加載器，分別為引導(dǎo)類加載器（Bootstrap ClassLoader）和 自定義類加載器（User-Defined ClassLoader）
  • 從概念上來講，自定義類加載器一般指的是程序中由開發(fā)人員自定義的一類類加載器，但是Java虛擬機(jī)規(guī)范并沒有這么定義，而是將所有派生于抽象類ClassLoader的類加載器都劃分為自定義類加載器（除了Bootstrap ClassLoader其他的都為 自定義類加載器）
  • 無論類加載器的類型如何劃分，在程序中，我們最常見的類加載器始終只有3個(gè)，如下所示：

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代碼：

public class Test {

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 :應(yīng)用類加載器
        ClassLoader parent = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(parent);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@34a245ab ：擴(kuò)展類加載器
        ClassLoader parent1 = parent.getParent();
        System.out.println(parent1);//null ：引導(dǎo)類加載器：非Java語言實(shí)現(xiàn)

        ClassLoader classLoader = Test.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        
         ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null
    }
}

3.1 引導(dǎo)類加載器：

  • BootstrapClassLoader 這個(gè)類加載器使用 C/C++語言實(shí)現(xiàn)，嵌套在JVM內(nèi)部
  • 它用來加載Java 的核心類庫（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path路徑下的內(nèi)容），用于提供JVM自身需要的類
  • 并不繼承自 java.lang.ClassLoader ，沒有父類加載器
  • 加載擴(kuò)展類和應(yīng)用程序類加載器，并指定為他們的父類加載器
  • 出于安全考慮，Bootstrap 啟動類加載器只加載包名為 java 、javax、sun等開頭的類

3.2 擴(kuò)展類加載器：ExtensionClassLoader

  • Java 語言編寫，派生于ClassLoader類
  • 父類加載器為：啟動類加載器
  • 從 java.ext.dirs系統(tǒng)屬性所指定的目錄中加載類庫，或從JDK的安裝目錄的jre/lib/ext子目錄（擴(kuò)展目錄）下加載類庫，如果用戶創(chuàng)建的jar包放在此目錄下，也會自動由擴(kuò)展類加載器進(jìn)行加載

3.3 應(yīng)用程序類加載器：AppClassLoader

  •  java語言編寫，派生于 ClassLoader
  • 父類加載器為 ExtensionClassLoader
  • 負(fù)責(zé)加載環(huán)境變量classpath或者系統(tǒng)屬性 java.class.path 指定路徑下的類庫
  • 該類加載器是程序中默認(rèn)的類加載器，一般來說，Java應(yīng)用的類都是由它來完成加載
  • 通過ClassLoader # getSystemClassLoader()方法可以獲取到該類加載器

3.4 用戶自定義類加載器

  • 在Java 的日常應(yīng)用程序開發(fā)中，類的加載幾乎是由上述3種類加載器相互配合執(zhí)行的，在必要的時(shí)候，我們還可以自定義類加載器，來定制類的加載方式

為什么要用自定義類加載器呢？

  • 隔離加載類
  • 修改類加載的方式
  • 擴(kuò)展加載源
  • 防止源碼泄漏

用戶自定義類加載器實(shí)現(xiàn)步驟

  • 通過繼承抽象類 java.lang.ClassLoader 類的方式，實(shí)現(xiàn)自己的類加載器，以滿足一些特殊的需求
  • JDK1.2之前，總會去繼承ClassLoader類并重寫loadClass()方法，從而實(shí)現(xiàn)自定義的類加載器，但是在JDK1.2之后，已不再建議去覆蓋loadClass()方法，而是建議把自定義的類加載邏輯寫在 findClass()方法中
  • 如果對于類加載器沒有太過于復(fù)雜的需求，可以通過直接繼承 URLClassLoader類，這樣就可以避免自己去編寫findClass()方法及其獲取字節(jié)碼流的方式，使自定義類加載器編寫更加簡潔

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繼承體系


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獲取 ClassLoader


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4.雙親委派機(jī)制

Java 虛擬機(jī)對class文件采用的是按需加載的方式，也就是說當(dāng)需要使用該類時(shí)才會將它的class文件加載到內(nèi)存生成class對象。而且加載某個(gè)類的class文件時(shí)，Java虛擬機(jī)采用的雙親委派模式，即把請求交由父類處理，它是一種任務(wù)委派模式

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  • 如果一個(gè)類加載器收到了類的加載請求，它并不會自己先去加載，而是把這個(gè)請求委托給父類的加載器去執(zhí)行
  • 如果父類加載器還存在其父類加載器，則進(jìn)一步向上委托，依次遞歸請求最終將到達(dá)頂層的啟動類加載器
  • 如果類加載器可以完成類加載任務(wù)，就成功返回，如果父類加載器無法完成此加載任務(wù)，子類加載器才會嘗試去加載，這就是雙親委派模式

優(yōu)勢

  • 避免類的重復(fù)加載
  • 保護(hù)程序安全，防止核心API被隨意篡改：自定義：java.lang.String …
  • 不要亂取包名

5.其他

在JVM中表示兩個(gè)class對象是否為同一個(gè)類存在兩個(gè)必要條件

  • 類的全限定類名必須一致，包括包名
  • 加載這個(gè)類的ClassLoader（指ClassLoader實(shí)例對象）必須相同
  • 即使兩個(gè)類來源于同一個(gè)文件，但是類加載器不一樣，那這兩個(gè)類對象也是不相等的

以上就是關(guān)于Java虛擬機(jī)中的類加載器以及類加載全過程的詳細(xì)內(nèi)容，想要了解更多關(guān)于Java虛擬機(jī)中類加載的內(nèi)容，可以多多關(guān)注W3Cschool相關(guān)文章內(nèi)容。如果您覺得本篇文章還不錯(cuò)，還希望大家能夠多多支持！


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