JVM笔记02

科技2024-12-11 27

1、内存结构概述

完整框图

2、类加载子系统

类加载子系统的作用

类加载器子系统负责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。

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

加载的类信息存放于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，可能还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）

class --> Java.lang.Class

class file存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例

class file加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区

在.class文件–>JVM–>最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器Class Loader），扮演一个快递员的角色

3、类加载过程

public class HelloLoader { public static void main(String[] args) { System.out.println("谢谢ClassLoader加载我...."); } }

它的加载过程是怎么样的呢?

执行 main() 方法（静态方法）就需要先加载承载类 HelloLoader加载成功，则进行链接、初始化等操作，完成后调用 HelloLoader 类中的静态方法 main加载失败则抛出异常

完整的流程图如下所示：加载 --> 链接（验证 --> 准备 --> 解析） --> 初始化

加载阶段

加载流程

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

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

由其他文件生成，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

链接阶段

链接分为三个子阶段：验证 --> 准备 --> 解析

初始化阶段

初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()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。也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法

<clinit>()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。（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）

若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕

虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁

4、类加载器分类

类加载器概述

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-Defined 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一类类加载器，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，如下所示

这里的四者之间是包含关系，不是上层和下层，也不是子父类的继承关系。

规范定义：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ExtClassLoader 继承树

AppClassLoader 继承树

代码：

我们尝试获取引导类加载器，获取到的值为 null ，这并不代表引导类加载器不存在，因为引导类加载器是C/C++ 语言，我们获取不到两次获取系统类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明系统类加载器是全局唯一的 public class ClassLoaderTest { public static void main(String[] args) { //获取系统类加载器 ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$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不鸟自定义类 ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader(); System.out.println(classLoader1);//null } }

虚拟机自带的加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载器是使用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

并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器

加载扩展类和应用程序类加载器，并作为他们的父类加载器（当他俩的爹）

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

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

系统类加载器（AppClassLoader）

Java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现

派生于ClassLoader类

父类加载器为扩展类加载器

它负责加载环境变量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，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

用户自定义类加载器

为什么需要自定义类加载器？

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。那为什么还需要自定义类加载器？

隔离加载类

修改类加载的方式

扩展加载源

防止源码泄漏

如何自定义类加载器？

开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求

在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写loadClass()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass()方法中

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URIClassLoader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。

代码示例

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(); } } }

关于 ClassLoader

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

继承关系：ExtClassLoader与AppClassLoader间接继承于ClassLoader

获取 ClassLoader 的途径

代码示例：

public class ClassLoaderTest2 { public static void main(String[] args) { try { //1.Class.forName().getClassLoader() ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader(); System.out.println(classLoader); // String 类由启动类加载器加载，我们无法获取 //2.Thread.currentThread().getContextClassLoader() ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); System.out.println(classLoader1); //3.ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent() ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader(); System.out.println(classLoader2); } catch (ClassNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } } } // 输出 null sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

5、双亲委派机制

双亲委派机制原理

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

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

父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类，如果将加载任务分配至系统类加载器也无法加载此类，则抛出异常

举例1：

自定义一个java.lang.String类，并运行main方法

package java.lang; public class String { static{ System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块"); } //错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法 public static void main(String[] args) { System.out.println("hello,String"); } }

由于双亲委派机制找到的是 JDK 自带的 String 类，在那个 String 类中并没有 main() 方法

举例 2：

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候

首先我们需要知道的是 jdbc.jar是基于SPI接口进行实现的

所以在加载的时候，会进行双亲委派，最终从根加载器中加载 SPI核心类，然后再加载SPI接口类

接着在进行反向委托，通过线程上下文类加载器进行实现类 jdbc.jar的加载。

双亲委派机制优势

通过上面的例子，我们可以知道，双亲机制可以

避免类的重复加载

保护程序安全，防止核心API被随意篡改

自定义类：java.lang.String 并没有什么屌用自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang开头的类）

沙箱安全机制

自定义String类时：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，就是因为加载的是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、其他

如何判断两个class对象是否相同？

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

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

换句话说，在JVM中，即使这两个类对象（class对象）来源同一个Class文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的

对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的

如果一个类型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型信息的一部分保存在方法区中

当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的

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”)）

初始化一个类的子类

Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

JDK7开始提供的动态语言支持：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

道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的