說說 JVM 的類加載機(jī)制『非專業(yè)』

作者：程序鍋 2021-04-29 11:18:14

云計(jì)算

虛擬化 類是在運(yùn)行期間第一次使用時動態(tài)加載的，而不是一次性加載所有類。因?yàn)槿绻淮涡约虞d，那么會占用很多的內(nèi)存。

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類加載機(jī)制

類是在運(yùn)行期間第一次使用時動態(tài)加載的，而不是一次性加載所有類。因?yàn)槿绻淮涡约虞d，那么會占用很多的內(nèi)存。

類的生命周期

包括以下 7 個階段：

• 「加載(Loading)」
• 「驗(yàn)證(Verification)」
• 「準(zhǔn)備(Preparation)」
• 「解析(Resolution)」
• 「初始化(Initialization)」
• 使用(Using)
• 卸載(Unloading)

類加載過程 --- new 一個對象的過程

包含加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析和初始化這 5 個階段。

1.加載

加載過程完成以下三件事：

其中二進(jìn)制字節(jié)流可以從以下方式中獲?。?/p>

• 從 ZIP 包讀取，成為 JAR、EAR、WAR 格式的基礎(chǔ)。
• 從網(wǎng)絡(luò)中獲取，最典型的應(yīng)用是 Applet。
• 運(yùn)行時計(jì)算生成，例如動態(tài)代理技術(shù)，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 由其他文件生成，例如由 JSP 文件生成對應(yīng)的 Class 類。
• 通過類的完全限定名稱獲取定義該類的二進(jìn)制字節(jié)流。
• 將該字節(jié)流表示的靜態(tài)存儲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)的運(yùn)行時存儲結(jié)構(gòu)。
• 在內(nèi)存中生成一個代表該類的 Class 對象，作為方法區(qū)中該類各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

2.驗(yàn)證

格式驗(yàn)證：驗(yàn)證是否符合class文件規(guī)范 語義驗(yàn)證：檢查一個被標(biāo)記為final的類型是否包含子類;檢查一個類中的final方法是否被子類進(jìn)行重寫;確保父類和子類之間沒有不兼容的一些方法聲明(比如方法簽名相同，但方法的返回值不同) 操作驗(yàn)證：在操作數(shù)棧中的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行正確的操作，對常量池中的各種符號引用執(zhí)行驗(yàn)證(通常在解析階段執(zhí)行，檢查是否可以通過符號引用中描述的全限定名定位到指定類型上，以及類成員信息的訪問修飾符是否允許訪問等)

3.準(zhǔn)備

類變量是被 static 修飾的變量，準(zhǔn)備階段為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置初始值，使用的是方法區(qū)的內(nèi)存。

  
 
 
 

   
  
  
  
public static int value = 123; 
  
 
 
 

如果類變量是常量，那么它將初始化為表達(dá)式所定義的值而不是 0。例如下面的常量 value 被初始化為 123 而不是 0。

  
 
 
 

   
  
  
  
public static final int value = 123; 
  
 
 
 

實(shí)例變量不會在這階段分配內(nèi)存，它會在對象實(shí)例化時隨著對象一起被分配在堆中。

4.解析

將常量池中的符號引用轉(zhuǎn)為直接引用(得到類或者字段、方法在內(nèi)存中的指針或者偏移量，以便直接調(diào)用該方法)，這個可以在初始化之后再執(zhí)行，可以支持 Java 的動態(tài)綁定。

以上2、3、4三個階段又合稱為鏈接階段，鏈接階段要做的是將加載到JVM中的二進(jìn)制字節(jié)流的類數(shù)據(jù)信息合并到JVM的運(yùn)行時狀態(tài)中。

5.初始化

初始化階段是虛擬機(jī)執(zhí)行類構(gòu)造器 () 方法的過程，是真正開始執(zhí)行類中定義的 Java 程序代碼。在前面的準(zhǔn)備階段，類變量已經(jīng)賦過一次系統(tǒng)要求的初始值，而在初始化階段，主要根據(jù)程序員通過程序制定的主觀計(jì)劃去初始化類變量和其它資源。

() 是由編譯器自動收集類中所有類變量的賦值動作和靜態(tài)語句塊中的語句合并產(chǎn)生的，編譯器收集的順序由語句在源文件中出現(xiàn)的順序決定。特別注意的是，靜態(tài)語句塊只能訪問到定義在它之前的類變量，定義在它之后的類變量只能賦值，不能訪問。

虛擬機(jī)會保證一個類的 () 方法在多線程環(huán)境下被正確的加鎖和同步，如果多個線程同時初始化一個類，只會有一個線程執(zhí)行這個類的\ () 方法，其它線程都會阻塞等待，直到活動線程執(zhí)行\(zhòng) () 方法完畢。如果在一個類的 () 方法中有耗時的操作，就可能造成多個線程阻塞，在實(shí)際過程中此種阻塞很隱蔽。

上述步驟簡單來說就是分為以下兩步：

• 類變量的賦值操作
• 執(zhí)行static代碼塊。static代碼塊只有jvm能夠調(diào)用。如果是多線程需要同時初始化一個類，僅僅只能允許其中一個線程對其執(zhí)行初始化操作，其余線程必須等待，只有在活動線程執(zhí)行完對類的初始化操作之后，才會通知正在等待的其他線程。

最終，方法區(qū)會存儲當(dāng)前類的類信息，包括類的靜態(tài)變量、類初始化代碼(定義靜態(tài)變量時的賦值語句和靜態(tài)初始化代碼塊)、實(shí)例變量定義、實(shí)例初始化代碼(定義實(shí)例變量時的賦值語句實(shí)例代碼塊和構(gòu)造方法)和實(shí)例方法，還有父類的類信息引用。

創(chuàng)建對象

假設(shè)是第一次使用一個類的話，那么需要經(jīng)過上述的類加載的過程，之后才是創(chuàng)建對象。

「1、在堆區(qū)分配對象需要的內(nèi)存」

分配的內(nèi)存包括本類和父類的所有實(shí)例變量，但不包括任何靜態(tài)變量

「2、對所有實(shí)例變量賦默認(rèn)值」

將方法區(qū)內(nèi)對實(shí)例變量的定義拷貝一份到堆區(qū)，然后賦默認(rèn)值

「3、執(zhí)行實(shí)例初始化代碼」

初始化順序是先初始化父類再初始化子類，初始化時先執(zhí)行實(shí)例代碼塊然后是構(gòu)造方法。(第一執(zhí)行類中的靜態(tài)代碼，包括靜態(tài)成 員變量的初始化和靜態(tài)語句塊的執(zhí)行;第二執(zhí)行類中的非靜態(tài)代碼，包括非靜態(tài)成員變量的初始化和非靜態(tài)語句塊的執(zhí)行，最后執(zhí) 行構(gòu)造函數(shù)。在繼承的情況下，會首先執(zhí)行父類的靜態(tài)代碼，然后執(zhí)行子類的靜態(tài)代碼;之后執(zhí)行父類的非靜態(tài)代碼和構(gòu)造函數(shù); 最后執(zhí)行子類的非靜態(tài)代碼和構(gòu)造函數(shù))

「4、如果有類似于Child c = new Child()形式的c引用的話，在棧區(qū)定義Child類型引用變量c，然后將堆區(qū)對象的地址賦值給它」

需要注意的是，「每個子類對象持有父類對象的引用」，可在內(nèi)部通過super關(guān)鍵字來調(diào)用父類對象，但在外部不可訪問。

存在繼承的情況下，初始化順序?yàn)椋?/p>

• 父類(靜態(tài)變量、靜態(tài)語句塊)
• 子類(靜態(tài)變量、靜態(tài)語句塊)
• 父類(實(shí)例變量、普通語句塊)
• 父類(構(gòu)造函數(shù))
• 子類(實(shí)例變量、普通語句塊)
• 子類(構(gòu)造函數(shù))

類初始化的情況

主動引用

虛擬機(jī)規(guī)范中并沒有強(qiáng)制約束何時進(jìn)行加載，但是規(guī)范嚴(yán)格規(guī)定了有且只有下列五種情況必須對類進(jìn)行初始化(加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備都會隨之發(fā)生)：

• 遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 這四條字節(jié)碼指令時，如果類沒有進(jìn)行過初始化，則必須先觸發(fā)其初始化。最常見的生成這 4 條指令的場景是：使用 new 關(guān)鍵字實(shí)例化對象的時候;讀取或設(shè)置一個類的靜態(tài)字段(被 final 修飾、已在編譯期把結(jié)果放入常量池的靜態(tài)字段除外)的時候;以及調(diào)用一個類的靜態(tài)方法的時候。
• 使用 java.lang.reflect 包的方法對類進(jìn)行反射調(diào)用的時候，如果類沒有進(jìn)行初始化，則需要先觸發(fā)其初始化。
• 當(dāng)初始化一個類的時候，如果發(fā)現(xiàn)其父類還沒有進(jìn)行過初始化，則需要先觸發(fā)其父類的初始化。
• 當(dāng)虛擬機(jī)啟動時，用戶需要指定一個要執(zhí)行的主類(包含 main() 方法的那個類)，虛擬機(jī)會先初始化這個主類。

被動引用

以上的行為稱為對一個類進(jìn)行主動引用。除此之外，所有引用類的方式都不會觸發(fā)初始化，稱為被動引用。被動引用的常見例子包括：

• 通過子類引用父類的靜態(tài)字段，不會導(dǎo)致子類初始化。

  
 
 
 

   
  
  
  
System.out.println(SubClass.value); // value 字段在 SuperClass 中定義 
  
 
 
 

通過數(shù)組定義來引用類，不會觸發(fā)此類的初始化。該過程會對數(shù)組類進(jìn)行初始化，數(shù)組類是一個由虛擬機(jī)自動生成的、直接繼承自 Object 的子類，其中包含了數(shù)組的屬性和方法。

  
 
 
 

   
  
  
  
SuperClass[] sca = new SuperClass[10]; 
  
 
 
 

• 常量在編譯階段會存入調(diào)用類的常量池中，本質(zhì)上并沒有直接引用到定義常量的類，因此不會觸發(fā)定義常量的類的初始化。

  
 
 
 

   
  
  
  
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD); 
  
 
 
 

類與類加載器

兩個類相等，需要類本身相等，并且使用同一個類加載器進(jìn)行加載。這是因?yàn)槊恳粋€類加載器都擁有一個獨(dú)立的類名稱空間。那么最終的相等包括了類的 Class 對象的 equals() 方法、isAssignableFrom() 方法、isInstance() 方法的返回結(jié)果為 true，也包括使用 instanceof 關(guān)鍵字做對象所屬關(guān)系判定結(jié)果為 true。

從 Java 虛擬機(jī)的角度來講，只存在以下兩種不同的類加載器：

• 啟動類加載器(Bootstrap ClassLoader)，使用 C++ 實(shí)現(xiàn)，是虛擬機(jī)自身的一部分;
• 所有其它類的加載器，使用 Java 實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立于虛擬機(jī)，繼承自抽象類 java.lang.ClassLoader。

那么上述又可以分為以下三種類加載器：BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader、App ClassLoader

• 啟動類加載器(BootstrapClassLoader)是嵌在JVM內(nèi)核中的加載器，該加載器是用C++語言寫的，主要負(fù)載加載JAVA_HOME/lib下的類庫，或者被 -Xbootclasspath 參數(shù)所指定的路徑中的，并且是虛擬機(jī)識別的(僅按照文件名識別，如 rt.jar，名字不符合的類庫即使放在 lib 目錄中也不會被加載)。

啟動類加載器無法被 Java 程序直接引用，用戶在編寫自定義類加載器時，如果需要把加載請求委派給啟動類加載器，直接使用 null 代替即可。

• 擴(kuò)展類加載器(ExtensionClassLoader)是用JAVA編寫，由 ExtClassLoader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)實(shí)現(xiàn)的。它負(fù)責(zé)將 /lib/ext 或者被 java.ext.dir 系統(tǒng)變量所指定路徑中的所有類庫加載到內(nèi)存中，開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。

它的父類加載器是Bootstrap。

• 應(yīng)用程序類加載器(Application ClassLoader)這個類加載器是由 AppClassLoader(sun.misc.Launcher$AppClassLoader)實(shí)現(xiàn)的。一般負(fù)責(zé)加載應(yīng)用程序classpath目錄下的所有jar和class文件。

開發(fā)者可以直接使用這個類加載器，如果應(yīng)用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認(rèn)的類加載器。

它的父加載器為ExteClassLoader。

雙親委派模型

應(yīng)用程序是由三種類加載器互相配合從而實(shí)現(xiàn)類加載，除此之外還可以加入自己定義的類加載器。下圖展示了類加載器之間的層次關(guān)系，稱為雙親委派模型(Parents Delegation Model)。這里的父子關(guān)系一般通過委托來實(shí)現(xiàn)，而不是繼承關(guān)系(Inheritance)。

• 工作流程

如果一個類加載器收到了一個類加載請求，它不會自己去嘗試加載這個類，而是把這個請求轉(zhuǎn)交給父類加載器去完成。每一個層次的類加載器都是如此。因此所有的類加載請求都應(yīng)該傳遞到最頂層的啟動類加載器中，只有到父類加載器反饋?zhàn)约簾o法完成這個加載請求(在它的搜索范圍沒有找到這個類)時，子類加載器才會嘗試自己去加載。

• 好處

使得 Java 類隨著它的類加載器一起具有一種帶有優(yōu)先級的層次關(guān)系，從而使得基礎(chǔ)類得到統(tǒng)一。

例如 java.lang.Object 存放在 rt.jar 中，如果編寫另外一個 java.lang.Object 并放到 ClassPath 中，程序可以編譯通過。由于雙親委派模型的存在，所以在 rt.jar 中的 Object 比在 ClassPath 中的 Object 優(yōu)先級更高，這是因?yàn)?rt.jar 中的 Object 使用的是啟動類加載器，而 ClassPath 中的 Object 使用的是應(yīng)用程序類加載器。rt.jar 中的 Object 優(yōu)先級更高，那么程序中所有的 Object 都是這個 Object。

• demo

以下是抽象類 java.lang.ClassLoader 的代碼片段，其中的 loadClass() 方法運(yùn)行過程如下：先檢查類是否已經(jīng)加載過，如果沒有則讓父類加載器去加載。當(dāng)父類加載器加載失敗時拋出 ClassNotFoundException，此時嘗試自己去加載。

  
 
 
 

   
  
  
  
public abstract class ClassLoader { 
   
  
  
  
    // The parent class loader for delegation 
   
  
  
  
    private final ClassLoader parent; 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
   
  
  
  
        return loadClass(name, false); 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    protected Class loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException { 
   
  
  
  
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) { 
   
  
  
  
            // First, check if the class has already been loaded 
   
  
  
  
            Class c = findLoadedClass(name); 
   
  
  
  
            if (c == null) { 
   
  
  
  
                try { 
   
  
  
  
                    if (parent != null) { 
   
  
  
  
                        c = parent.loadClass(name, false); 
   
  
  
  
                    } else { 
   
  
  
  
                        c = findBootstrapClassOrNull(name); 
   
  
  
  
                    } 
   
  
  
  
                } catch (ClassNotFoundException e) { 
   
  
  
  
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found 
   
  
  
  
                    // from the non-null parent class loader 
   
  
  
  
                } 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
                if (c == null) { 
   
  
  
  
                    // If still not found, then invoke findClass in order 
   
  
  
  
                    // to find the class. 
   
  
  
  
                    c = findClass(name); 
   
  
  
  
                } 
   
  
  
  
            } 
   
  
  
  
            if (resolve) { 
   
  
  
  
                resolveClass(c); 
   
  
  
  
            } 
   
  
  
  
            return c; 
   
  
  
  
        } 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
   
  
  
  
        throw new ClassNotFoundException(name); 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

• 自定義類加載器實(shí)現(xiàn)

以下代碼中的 FileSystemClassLoader 是自定義類加載器，繼承自 java.lang.ClassLoader，用于加載文件系統(tǒng)上的類。它首先根據(jù)類的全名在文件系統(tǒng)上查找類的字節(jié)代碼文件(.class 文件)，然后讀取該文件內(nèi)容，最后通過 defineClass() 方法來把這些字節(jié)代碼轉(zhuǎn)換成 java.lang.Class 類的實(shí)例。

java.lang.ClassLoader 的 loadClass() 實(shí)現(xiàn)了雙親委派模型的邏輯，自定義類加載器一般不去重寫它，但是需要重寫 findClass() 方法。

  
 
 
 

   
  
  
  
public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader { 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    private String rootDir; 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    public FileSystemClassLoader(String rootDir) { 
   
  
  
  
        this.rootDir = rootDir; 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException { 
   
  
  
  
        byte[] classData = getClassData(name); 
   
  
  
  
        if (classData == null) { 
   
  
  
  
            throw new ClassNotFoundException(); 
   
  
  
  
        } else { 
   
  
  
  
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length); 
   
  
  
  
        } 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    private byte[] getClassData(String className) { 
   
  
  
  
        String path = classNameToPath(className); 
   
  
  
  
        try { 
   
  
  
  
            InputStream ins = new FileInputStream(path); 
   
  
  
  
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); 
   
  
  
  
            int bufferSize = 4096; 
   
  
  
  
            byte[] buffer = new byte[bufferSize]; 
   
  
  
  
            int bytesNumRead; 
   
  
  
  
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) { 
   
  
  
  
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead); 
   
  
  
  
            } 
   
  
  
  
            return baos.toByteArray(); 
   
  
  
  
        } catch (IOException e) { 
   
  
  
  
            e.printStackTrace(); 
   
  
  
  
        } 
   
  
  
  
        return null; 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
 
   
  
  
  
    private String classNameToPath(String className) { 
   
  
  
  
        return rootDir + File.separatorChar 
   
  
  
  
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; 
   
  
  
  
    } 
   
  
  
  
} 
  
 
 
 

巨人的肩膀

程序鍋春招筆記的摘記

https://github.com/CyC2018/CS-Notes

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