jvm01-类加载机制

JVM 评论

JVM 学习

今天终于决定要学学JVM了，一方面对于面试来说，这个是必考的，另一方面，深入了解jvm对于一个标准的java程序员来说，是很有必要的，知其然还要知其所以然。

JVM的位置

可以看到JVM是在操作系统之上的， 它与硬件没有直接的交互。

JVM体系结构

它分为上、中、下三层，类加载系统、运行时数据区，执行引擎。

类装载器ClassLoader

负责加载class文件，class文件在文件开头有特定的文件标示，将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些内容转换成方法区中的运行时数据结构。并且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 。

对于上面这段话，我们详细来理解一下。首先明确以下，类加载器只负责加载class文件，也就是java程序编译之后的字节码文件。这个字节码文件在文件开头有特定的文件标识，看下图：（cafe babe）。

java的图标不就是一杯咖啡吗哈哈哈哈、、、

类的生命周期

当java源代码文件被javac编译成class文件后，并不能直接运行， 而是需要经过加载，连接和初始化这几个阶段后才能使用。 在使用完类或JVM被销毁后，JVM会将类卸载掉。

类加载过程

类加载过程需要经过3个阶段:

  1. 加载
  2. 连接
  3. 初始化

其中连接又可分为3个阶段: 验证 ， 准备 ， 解析。

加载

在加载阶段，类加载器将类的class文件的二进制数据读取到内存， 并保存到方法区，并在堆区生成该类的Class对象。

通常有多种方式可以获取类的二进制数据:

  • 通过javac编译器编译java源文件，读取在本地磁盘上生成的class文件。
  • 从Jar，ZIP等归档文件中读取class文件。
  • 通过网络读取类的字节流。
  • 通过动态生成字节码的技术(如使用动态代理，cglib)来生成class。
连接

1.验证 验证阶段是为了确保类的字节流符合虚拟机规范，并且不会对虚拟机造成恶意损害。 JVM会对字节流进行如下验证:

  • 文件格式验证:会验证class文件是否符合虚拟机规范，如是否以0×CAFEBABE开头， 主次版本号是否在虚拟机规定范围类，常量池中的类型是否有JVM不支持的类型。
  • 元数据验证: 会对类的元信息进行语义分析，确保符合Java语法规范。
  • 字节码验证: 通过分析数据流和控制流，确保类的方法体的程序语义是合法的， 符合逻辑的。
  • 符号引用验证: 确保常量池中的符号引用能在解析阶段正常解析。

2.准备: 准备阶段会为类的静态变量初始化零值，如(0,0L,null,false).

3.解析: 解析阶段会将常量池中的符号引用转为直接引用。 符号引用包括类的全限定名，方法名和描述符，字段名和描述符。
直接引用是指向目标的指针，可以简单理解为目标的内存地址。

初始化

初始化阶段是类加载过程的最后一个阶段。

在这个阶段,只有主动使用类才会初始化类，总共有8种情况会涉及到主动使用类。

  1. 当jvm执行new指令时会初始化类，即当程序创建一个类的实例对象。
  2. 当jvm执行getstatic指令时会初始化类，即程序访问类的静态变量(不是静态常量，常量归属于运行时常量池)。
  3. 当jvm执行putstatic指令时会初始化类，即程序给类的静态变量赋值。
  4. 当jvm执行invokestatic指令时会初始化类，即程序调用类的静态方法。
  5. 当使用反射主动访问这个类时,也会初始化类,如Class.forname(“…”),newInstance()等等。
  6. 当初始化一个子类的时候，会先初始化这个子类的所有父类，然后才会初始化这个子类。
  7. 当一个类是启动类时，即这个类拥有main方法，那么jvm会首先初始化这个类。
  8. MethodHandle和VarHandle可以看作是轻量级的反射调用机制，而要想使用这2个调用， 就必须先使用findStatic/findStaticVarHandle来初始化要调用的类。
使用

在类被初始化完成后，就可以使用类了。

类的卸载

类被卸载(Class对象被GC掉)需要满足3个条件:

  1. 该类的实例对象都已被GC，也就是说堆中不存在该类的实例对象。
  2. 该类没有在其它任何地方被使用。
  3. 加载该类的类加载器实例已被GC。

在JVM的生命周期中，被JVM自带的类加载器所加载的类是不会被卸载的。 而被我们自定义的类加载器所加载的类是可能会被卸载的。

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public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Object object = new Object();
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        Main m = new Main();
        System.out.println(m.getClass().getClassLoader());
        System.out.println(m.getClass().getClassLoader().getParent());
        System.out.println(m.getClass().getClassLoader().getParent().getParent());

    }
}

通过参数-XX:+TraceClassLoading 来打印类加载的信息。

类加载有如下几类：

虚拟机自带的加载器

  1. 启动类加载器（Bootstrap）C++， 用来加载jdk自带的类。

打开jdk， 里面有一个jre（java runtime environment）中 rt.jar文件，来看看里面是啥玩意：

这里面其实就是我们平时使用的JDK自带的类库，包括Object类等。所以Bootstrap类加载器就是加载这些的，正是因为jvm已经帮我们加载好了这些类，我们才可以直接使用。

  1. 扩展类加载器（Extension）Java： 首先要知道为啥有这个扩展类加载器，顾名思义就是加载扩展类的加载器，由于java是一门不断发展的语言，jdk也在快速的迭代，由java1.5， 1.6 然后1.8， 现在好像出了jdk14.。。。，还有就是java jdk中有很多以javax开头的包，在jre/lib/ext/*下的包就时使用扩展类加载器加载的。
  1. 应用程序类加载器（AppClassLoader）Java也叫系统类加载器，加载当前应用的classpath的所有类。也就是自己写的类。
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public class Main {

    public static void main(String[] args) {
        Object object = new Object();
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        Main m = new Main();
        System.out.println(m.getClass().getClassLoader());
        System.out.println(m.getClass().getClassLoader().getParent());
        System.out.println(m.getClass().getClassLoader().getParent().getParent());


    }
}
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null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c
null

上面输出表示，Object的加载器是null表示是启动类加载器（BootStrap）。sun.misc.Launcher是java虚拟机的一个入口应用。

用户自定义加载器

Java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式。

双亲委派机制

当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类去完成，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中，只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的Class），子类加载器才会尝试自己去加载。

双亲委派机制是指在加载一个类的时候，JVM会判断这个类是否已经被其类加载器加载过了。 如果已经加载过了，那么直接返回这个类。 如果没有加载，就使用这个类对应的加载器的父类加载器判断， 一层一层的往上判断，最终会由BootstrapClassLoader判断。 如果BootstrapClassLoader判断都没有加载这个类, 那么就由BootstrapClassLoader尝试加载。 如果BootstrapClassLoader加载失败了， 就由BootstrapClassLoader的子类加载器们加载。

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package java.lang;

/**
 * @author Hongliang Zhu
 * @create 2020-06-13 15:40
 */
public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello");
    }
}

上面的自己写的String类，会一层一层向上去找父类加载器去加载，而jdk自带的就有java.lang.String 类，所以jvm会调用启动类加载器加载java.lang.String类，而这个类中没有main函数，随意会报错。所以双亲委派机制的作用是保证安全性，保证沙箱安全。防止原生类被覆盖。

总结： 采用双亲委派的一个好处是比如加载位于 rt.jar 包中的类 java.lang.Object，不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个 Object对象。

参考

  1. https://guang19.github.io/framework-learning/gitbook_doc/jdk-jvm-juc

朱宏梁Research & Develop

后端开发工程师