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JVM 基础 – Java 类加载机制

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JVM 基础 – Java 类加载机制


文章来源

本文大部分是复制粘贴的，小部分会加入自己的想法。

引流：

本文链接： http://www.fanchencloud.cn/archives/basejvmclassloader

文章目录



Java代码执行流程



类的生命周期

其中类加载的过程包括了

加载

、

验证

、

准备

、

解析

、

初始化

五个阶段。在这五个阶段中，

加载

、

验证

、

准备

和

初始化

这四个阶段发生的顺序是确定的，而

解析

阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。



类的加载：查找并加载类的二进制数据

加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

  • 通过一个类的全限定名（包名+类名）来获取其定义的二进制字节流
  • 将这个字节流代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
  • 在Java堆中生成一个代表该类的

    java.lang.Class

    对象，作为对方法区中这些数据的访问入口

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个

java.lang.Class

类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了

.class

文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(

LinkageError

错误)如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

加载

.class

文件的方式

  • 从本地系统中直接加载
  • 通过网络下载

    .class

    文件
  • 从zip，jar等归档文件中加载

    .class

    文件
  • 从专有数据库中提取.class文件
  • 将Java源文件动态编译为

    .class

    文件

总结：

加载二进制数据到内存

–>

映射成jvm能识别的结构

–>

在内存中生成class文件

。



连接



验证: 确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:


  • 文件格式验证

    : 验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如: 是否以

    0xCAFEBABE

    开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

  • 元数据验证

    : 对字节码描述的信息进行语义分析(注意: 对比

    javac

    编译阶段的语义分析)，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如: 这个类是否有父类，除了

    java.lang.Object

    之外。

  • 字节码验证

    : 通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

  • 符号引用验证

    : 确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，

如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用

-Xverifynone

参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

确保class文件中的字节流包含的信息，符合当前虚拟机的要求，保证这个被加载的class类的正确性，不会危害到虚拟机的安全。



准备

为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，

这些内存都将在方法区中分配

。对于该阶段有以下几点需要注意:

  • 这时候进行内存分配的仅包括类变量(

    static

    )，而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

  • 这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值(如

    0

    、

    0L

    、

    null

    、

    false

    等)，而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

    假设一个类变量的定义为:

    public static int value = 3

    ；那么变量value在准备阶段过后的初始值为

    0

    ，而不是

    3

    ，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的

    put static

    指令是在程序编译后，存放于类构造器

    <clinit>()

    方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

为类中的

静态字段

分配内存，并设置默认的初始值，比如int类型初始值是0。被final修饰的static字段不会设置，因为final在编译的时候就分配了

这里还需要注意如下几点

  • 对基本数据类型来说，对于类变量(static)和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
  • 对于同时被

    static

    和

    final

    修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
  • 对于引用数据类型

    reference

    来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即

    null

    。
  • 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。
  • 如果类字段的字段属性表中存在

    ConstantValue

    属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为

    ConstValue

    属性所指定的值。假设上面的类变量value被定义为:

    public static final int value = 3；

    编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据

    ConstantValue

    的设置将 value 赋值为3。我们可以理解为

    static final

    常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中



解析: 把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段的目的，是将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程（将常量池内的符号引用解析成为实际引用）。如果符号引用指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载（但未必触发这个类的链接以及初始化。）

事实上，解析器操作往往会伴随着 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》的Class文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

解析动作主要针对类、接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的

CONSTANT_Class_info

、

CONSTANT_Fieldref_info

、

CONSTANT_Methodref_info

等。

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，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

、

方法句柄

和

调用点

限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。


直接引用

就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。



初始化

初始化就是执行类的构造器方法

init()

的过程。

这个方法不需要定义，是

javac

编译器自动收集类中所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并来的。

初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式:

  • 声明类变量是指定初始值
  • 使用静态代码块为类变量指定初始值



JVM初始化步骤

  • 假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类
  • 假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类 (若该类具有父类，

    jvm

    会保证父类的

    init

    先执行，然后在执行子类的

    init

    。)
  • 假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句



类初始化

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种:

  • 创建类的实例，也就是

    new

    的方式
  • 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(如

    Class.forName("com.pdai.jvm.Test")

    )
  • 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化
  • Java虚拟机启动时被标明为启动类的类(Java Test)，直接使用

    java.exe

    命令来运行某个主类



使用

类访问方法区内的数据结构的接口， 对象是堆(Heap)区的数据。



卸载

Java虚拟机将结束生命周期的几种情况

  • 执行了

    System.exit()

    方法
  • 程序正常执行结束
  • 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止
  • 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止



类加载器 —— JVM类加载机制

站在Java虚拟机的角度来讲，只存在两种不同的类加载器

  • 启动类加载器：它使用C++实现(这里仅限于Hotspot，也就是JDK1.5之后默认的虚拟机，有很多其他的虚拟机是用Java语言实现的)，是虚拟机自身的一部分；
  • 所有其他的类加载器： 这些类加载器都由Java语言实现，独立于虚拟机之外，并且全部继承自抽象类

    java.lang.ClassLoader

    ，这些类加载器需要由启动类加载器加载到内存中之后才能去加载其他的类。

站在Java开发人员的角度来看，类加载器可以大致划分为以下三类 :



启动类加载器：

Bootstrap ClassLoader

负责加载存放在

JDK\jre\lib

下，或被

-Xbootclasspath

参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库(如rt.jar，所有的java.*开头的类均被

Bootstrap ClassLoader

加载)。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。

并不是继承自

java.lang.ClassLoader

，它没有父类加载器

它加载

扩展类加载器

和

应用程序类加载器

，并成为他们的

父类加载器

出于安全考虑，启动类只加载包名为：

java

、

javax

、

sun

开头的类



扩展类加载器:

Extension ClassLoader

该加载器由

sun.misc.Launcher$ExtClassLoader

实现，它负责加载

JDK\jre\lib\ext

目录中，或者由

java.ext.dirs

系统变量指定的路径中的所有类库(如

javax.*

开头的类)，开发者可以直接使用扩展类加载器。



应用程序类加载器:

Application ClassLoader

该类加载器由

sun.misc.Launcher$AppClassLoader

来实现，它负责加载用户类路径(

ClassPath

)所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

我们可以通过

ClassLoader#getSystemClassLoader()

获取并操作这个加载器

由于拓展类加载器和引用程序类加载器的父类

BootstrapLoader

(启动类加载器)是用C语言实现的，找不到一个确定的返回父Loader的方式，于是获取就返回

null

。



自定义加载器

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，一般情况下，以上3种加载器能满足我们日常的开发工作，不满足时，我们还可以

自定义加载器

比如用网络加载Java类，为了保证传输中的安全性，采用了加密操作，那么以上3种加载器就无法加载这个类，这时候就需要

自定义加载器

。因为JVM自带的

ClassLoader

只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的

ClassLoader

，便可以做到如下几点:

  • 在执行非置信代码之前，自动验证数字签名。
  • 动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。
  • 从特定的场所取得java class，例如数据库中和网络中。



自定义类加载器的实现

  • 继承

    java.lang.ClassLoader

    类，重写

    findClass()

    方法

  • 如果没有太复杂的需求，可以直接继承

    URLClassLoader

    类，重写

    loadClass

    方法，具体可参考

    AppClassLoader

    和

    ExtClassLoader

    。

代码实现 

package classloader;

import java.io.*;

/**
 * Version: V1.0    <br/>
 * Datetime:   2022/9/28 2:55   <br/>
 * Description: 自定义类加载器
 *
 * @author: chen
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String root;

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        // 加载类的二进制数据
        byte[] classData = loadClassData(name);
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) throws ClassNotFoundException {
        String fileName = root + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try (
                InputStream ins = new FileInputStream(fileName);
                ByteArrayOutputStream byteArrayOutputStream = new ByteArrayOutputStream();
        ) {
            int bufferSize = 1024;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int length = 0;
            while ((length = ins.read(buffer)) != -1) {
                byteArrayOutputStream.write(buffer, 0, length);
            }
            return byteArrayOutputStream.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            throw new ClassNotFoundException("类未找到");
        }
    }
    public String getRoot() {
        return root;
    }

    public void setRoot(String root) {
        this.root = root;
    }

}

自定义类加载器的核心在于对字节码文件的获取，如果是加密的字节码则需要在该类中对文件进行解密。由于这里只是演示，此处并未对class文件进行加密，因此没有解密的过程。

这里有几点需要注意 :

  • 这里传递的文件名需要是类的全限定性名称，即

    cn.fanchencloud.HelloWorld

    格式的，因为

    defineClass

    方法是按这种格式进行处理的。

  • 最好不要重写

    loadClass()

    方法，因为这样容易破坏双亲委托模式。

  • 这类Test 类本身可以被

    AppClassLoader

    类加载，因此我们不能把

    cn.fanchencloud.HelloWorld.class

    放在类路径下。否则，由于双亲委托机制的存在，会直接导致该类由

    AppClassLoader

    加载，而不会通过我们自定义类加载器来加载。

测试代码：

  1. 在

    F:\TEMP\classLoaderTest

    新建包结构

    cn.fanchencloud

    ，包下新建Java类

    HelloWorld.java

    ，编写类文件。

  2. 编译写好的Java类，编译完成在包结构

    cn.fanchencloud

    下回生成相应的

    .class

    文件

  3. 测试 

    package classloader;

import java.lang.reflect.InvocationTargetException;

/**
 * Version: V1.0    <br/>
 * Datetime:   2022/9/28 3:09   <br/>
 * Description:
 *
 * @author: chen
 */
public class TestLoadClass {
    public static void main(String[] args) {
        MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
        myClassLoader.setRoot("F:\\TEMP\\classLoaderTest");

        try {
            Class<?> testClass = myClassLoader.loadClass("cn.fanchencloud.HelloWorld");
            System.out.println(testClass.getClassLoader());
            Object o = testClass.getDeclaredConstructor().newInstance();
            testClass.getMethod("test").invoke(o);
        } catch (ClassNotFoundException | InvocationTargetException | InstantiationException | IllegalAccessException |
                 NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

        try {
            Class<?> testClass = myClassLoader.loadClass("cn.fanchencloud.HelloWorld1");
            System.out.println(testClass.getClassLoader());
            Object o = testClass.getDeclaredConstructor().newInstance();
            testClass.getMethod("test").invoke(o);
        } catch (ClassNotFoundException | InvocationTargetException | InstantiationException | IllegalAccessException |
                 NoSuchMethodException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }

    }
}

  4. 测试结果 

    "D:\Program Files\Java\jdk-17.0.1\bin\java.exe" -javaagent:D:\JetBrains\apps\IDEA-U\ch-0\222.3739.54\lib\idea_rt.jar=49181:D:\JetBrains\apps\IDEA-U\ch-0\222.3739.54\bin -Dfile.encoding=UTF-8 -classpath E:\IdeaProjects\leetcode\target\classes;D:\mavenFiles\cn\hutool\hutool-all\5.7.16\hutool-all-5.7.16.jar;D:\mavenFiles\org\projectlombok\lombok\1.18.22\lombok-1.18.22.jar;D:\mavenFiles\org\apache\logging\log4j\log4j-slf4j-impl\2.14.1\log4j-slf4j-impl-2.14.1.jar;D:\mavenFiles\org\slf4j\slf4j-api\1.7.25\slf4j-api-1.7.25.jar;D:\mavenFiles\org\apache\logging\log4j\log4j-api\2.14.1\log4j-api-2.14.1.jar;D:\mavenFiles\org\apache\logging\log4j\log4j-core\2.14.1\log4j-core-2.14.1.jar;D:\mavenFiles\com\lmax\disruptor\3.4.4\disruptor-3.4.4.jar classloader.TestLoadClass
classloader.MyClassLoader@58372a00
hello
Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: java.lang.ClassNotFoundException: 类未找到
	at classloader.TestLoadClass.main(TestLoadClass.java:34)
Caused by: java.lang.ClassNotFoundException: 类未找到
	at classloader.MyClassLoader.loadClassData(MyClassLoader.java:37)
	at classloader.MyClassLoader.findClass(MyClassLoader.java:18)
	at java.base/java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:587)
	at java.base/java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:520)
	at classloader.TestLoadClass.main(TestLoadClass.java:28)

Process finished with exit code 1



获取类加载器的方式


ClassLoader

一个抽象类，其后所有的类加载器继承自

ClassLoader

（不包括启动类加载器）

  1. 获取当前类的

    ClassLoader
     

    // 有定义类 class Person

// 1. 类
ClassLoader classLoader = Person.class.getClassLoader();
// 2. 类对象 Person person
 ClassLoader classLoader = person.getClass().getClassLoader();

  2. 获取当前线程上下文的

    ClassLoader
     

    ClassLoader classLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();

  3. 获取系统的

    ClassLoader
     

    ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

  4. 获取调用者的

    ClassLoader
     

    ClassLoader classLoader = DriverManager.getCallerClassLoader();



类加载机制


  • 全盘负责

    ，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入


  • 父类委托

    ，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类


  • 缓存机制

    ，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效


  • 双亲委派机制

    , 如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类。



双亲委派机制

（1）如果一个

类加载器

接收到了

类加载

的请求，它自己不会先去加载，会把这个请求委托给

父类加载器

去执行。

（2）如果父类还存在父类加载器，则继续向上委托，一直委托到

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader

（3）如果父类加载器可以完成加载任务，就返回成功结果，如果父类加载失败，就由子类自己去尝试加载，如果子类加载失败就会抛出

ClassNotFoundException

异常，这就是

双亲委派模式

双亲委派机制代码实现 

class MyClassLoader {
    Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
        // 首先判断该类型是否已经被加载
        Class c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            // 如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
            try {
                if (parent != null) {
                    // 如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                    c = findBootstrapClass0(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
                // 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务，才调用自身的加载功能
                c = findClass(name);
            }
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

双亲委派的优势

  • 系统类防止内存中出现多份同样的字节码，可以避免类的重复加载，另外也避免了java的核心API被篡改。
  • 保证Java程序的安全稳定运行
  • Java的核心API都是通过引导类加载器进行加载的，如果别人通过定义同样路径的类比如

    java.lang.Integer

    ，类加载器通过向上委托，两个

    Integer

    ，那么最终被加载的应该是

    jdk

    的

    Integer

    类，而并非我们自定义的，这样就避免了我们恶意篡改核心包的风险；

参考：

  1. JVM 基础 – Java 类加载机制：https://pdai.tech/md/java/jvm/java-jvm-classload.html
  2. jvm类加载器，类加载机制详解，看这一篇就够了：https://segmentfault.com/a/1190000037574626


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