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本文探讨JVM架构图中的类加载机制(Class Loader),即Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存, 并对数据进行校验、 转换解析和初始化, 最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型的过程。
类加载器的作用
作用:Class Loader负责加载Class文件到内存。
.class文件的来源
- 从本地系统中直接加载。
- 通过网络获取,如典型的Web Applet
- 从zip压缩包、jar包、war包中读取
- 运行时计算生成,如动态代理技术
- 由其他文件生成,如JSP应用
- 从专有数据库中提取.class文件,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。
Class Loader仅负责Class文件的加载,至于Class文件是否可运行,则由JVM简图中的执行引擎ExecutionEngine决定。
加载的类信息存放在一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外,方法区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(运行时常量池信息对应Class文件中常量池的内存映射)
一、Loading加载阶段
加载:
①通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流。
②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(即将类信息映射到方法区)。
③在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class实例对象
,作为方法区这个类的各种数据的访问入口。
方法区只是一个概念
,不同版本的JDK可能有不同的落地实现,JDK7及以前称为永久带,JDK7以后称为元空间。
二、Linking链接阶段
Verify验证
- 目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求,保证被加载类的正确性,不会危害虚拟机自身安全。
- 主要包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。
Prepare准备
- 为类变量分配内存,并设置类变量的默认初始值0。
- 这 里 不 包 含 被 f i n a l 修 饰 的 s t a t i c , 因 为 被 f i n a l 修 饰 的 s t a t i c 是 常 量 。 常 量 在 编 译 的 时 候 就 已 经 分 配 值 了 。 这里不包含被final修饰的static,因为被final修饰的static是常量。常量在编译的时候就已经分配值了。 这里不包含被final修饰的static,因为被final修饰的static是常量。常量在编译的时候就已经分配值了。
- 这 里 不 会 为 实 例 变 量 分 配 初 始 化 , 类 变 量 会 分 配 在 方 法 区 中 , 而 实 例 变 量 会 随 着 对 象 一 起 分 配 到 J a v a 堆 中 。 这里不会为实例变量分配初始化,类变量会分配在方法区中,而实例变量会随着对象一起分配到Java堆中。 这里不会为实例变量分配初始化,类变量会分配在方法区中,而实例变量会随着对象一起分配到Java堆中。
Resolve解析
- 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
- 事实上,解析操作通常在JVM执行完初始化操作之后执行。
- 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等。
三、Initialization初始化阶段
- 初始化阶段就是调用执行类构造器方法
<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 ①类变量的赋值动作②静态代码块中的语句合 并而来的。
- 构造器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。(构造器是虚拟机视角下的<clinit>()
)- 若该类已有父类,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,即clint方法调用时虚拟机会自动加锁,保证初始化的线程安全问题。
四、几种类加载器的介绍与演示
- JVM支持两种类型的类加载器,分别是
引导类加载器
(BootstrapClassLoader)和自定义类加载器
(User-DefinedClassLoader)。 - Java虚拟机规范中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。(即凡是直接或间接继承ClassLoader类的都是自定义类加载器)
package com.gql;
/**
* 四种类加载器
*
* 最上层 bootstrapClassLoader 引导类加载器 -->Java的核心类库
* 中间层 ExtClassLoader 扩展类加载器
* 最下层 systemClassLoader 系统类加载器 -->用户自定义类加载器
*
@author Hudie
@date 2020/7/25 - 23:51
*/
public class ClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) {
//获取底层的系统类加载器:AppClassLoader(系统类加载器)
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
//获取系统类加载器上层:ExtensionClassLoader(扩展类加载器)
ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
//获取扩展类加载器上层:bootstrapClassLoader(引导类加载器)
ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
System.out.println(bootstrapClassLoader);//null
/**
* 发现拿不到bootstrapClassLoader的地址,这是因为bootstrapClassLoader是使用c/c++语言编写的,而其他可以获取到
* 地址的加载器都是使用JAVA编写的.
*/
//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$AppClassLoader@18b4aac2
//String类使用引导类加载器(bootstrapClassLoader)进行加载.-->Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的.
ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1);//null
}
}
1.启动/引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)
- 这个类加载器使用C/C++语言实现,嵌套在JVM内部。
- 它用来加载Java的核心库,用于提供JVM自身需要的类。
- 并不继承自java.lang.Classloader,没有父加载器。
- 加载扩展类和应用程序类加载器,并指定为他们的父类加载器。
- 出于安全考虑,Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类。
package com.gql;
import java.net.URL;
/**
* 启动类加载器
@author Hudie
@date 2020/7/26 - 1:19
*/
public class ClassLoaderTest01 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("*********启动类加载器能够加载的API路径**********");
//获取BootstrapClassLoader能够加载的API的路径,这些路径下为Java的核心库
URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (URL element : urls) {
System.out.println(element.toExternalForm());
}
//任选一个路径,这里选择jsse.jar,将其解压后发现了Provider.class文件,我们来查看其类加载器是什么
ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader);
//打印结果为null,可以确定其就是BootstrapClassLoader
}
}
输出:
*********启动类加载器能够加载的API路径**********
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/resources.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/rt.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/jce.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/classes
null
2.扩展类加载器(Extension ClassLoader)
- Java语言编写,由sun.misc.Launcher$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jar/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。
package com.gql;
import com.sun.org.apache.xerces.internal.util.SynchronizedSymbolTable;
import sun.security.ec.CurveDB;
import java.net.URL;
import java.security.Provider;
/**
* 启动类加载器和扩展类加载器
@author Hudie
@date 2020/7/26 - 1:19
*/
public class ClassLoaderTest01 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("*********扩展类加载器**********");
String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
for (String path : extDirs.split(";")) {
System.out.println(path);
}
//以ext中的sunec.jar为例,解压后发现CurveDB.class,我们来查看其类加载器是什么
ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
System.out.println("classLoader1 = " + classLoader1);
}
}
输出:
*********扩展类加载器**********
E:\JDK\jdk-8u251\jre\lib\ext
C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
classLoader1 = sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d
3.应用程序/系统类加载器(App ClassLoader)
- Java语言编写,由sun.misc.Launcher$AppClassloader实现。
- 派生于ClassLoader类。
- 父类加载器为启动类加载器。
- 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。
- 该类加载器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的。
- 通过ClassLoader的System Class Loader()方法可以获取到该类加载器。
4.用户自定义类加载器
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,我们还可以定义自定义类加载器,来定制类的加载方式。
为什么要自定义类加载器?
- 隔离加载类。(类包发生冲突时进行仲裁)
- 修改类加载的方式。
- 扩展加载源。
- 防止源码泄露。
用户自定义类加载器的实现步骤:
1.开发者可以继承抽象类java.lang.ClassLoader类,实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求。
2.在JDK1.2以前,自定义类加载器时,总会去重写loadClass()方法,从而实现自定义的类加载器,但是JDK1.2之后建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中。
3.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URLClassLoader类,这一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。
下面给出一个自定义类加载器的实现模型,具体实现时,可以其为框架进行编写,后续文章会给出完整的自定义类加载器
package com.gql;
import java.io.FileNotFoundException;
/**
* 自定义类加载器模型
@author Hudie
@date 2020/7/26 - 2:00
*/
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
/**
*
* @param name
* @return 返回内存层面一个大的Class实例
* @throws ClassNotFoundException
*/
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
//根据指定的路径name,将.class文件以二进制流的方式读入内存,形成一个字节数组.
byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
if (result == null) {
throw new FileNotFoundException();
} else {
//findClass需要和defineClass配合使用
return defineClass(name, result, 0, result.length);
}
} catch (Exception 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.解密后还原成内存中的字节数组
return null;
}
public static void main(String[] args) {
MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader();
try {
Class<?> clazz = Class.forName("One", true, myClassLoader);
Object obj = clazz.newInstance();
System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
五、ClassLoader的常用方法
再次明确,除了引导类加载器(BootstrapClassLoader)之外,其它的类加载器都是直接或间接的继承自抽象类ClassLoader。
下图可以看出ExtClassLoader和AppClassLoader都是间接继承了ClassLoader。
sun.misc.Launcher是Java虚拟机的入口应用。ExtClassLoader和AppClassLoader都是Launcher里面的内部类。
获取ClassLoader的途径:
下面演示上述四种途径获取ClassLoader的方式。
package com.gql;
/**
* 获取ClassLoader的方法
@author Hudie
@date 2020/7/26 - 2:52
*/
public class getClassLoaderTest {
public static void main(String[] args) {
try {
//方式1: clazz.getClassloader()
ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
System.out.println("classLoader = " + classLoader);
//方式2: Thread.currentThread().getContextClassLoader();
ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println("contextClassLoader = " + contextClassLoader);
//方式3: ClassLoader.getSystemClassLoader(); //获取系统类加载器
ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println("contextClassLoader = " + contextClassLoader);
//方式4: DriverManager.getCallerClassLoader(); //获取调用者的ClassLoader
} catch (ClassNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}