JVM Class Loader SubSystem

概述
类加载的过程
3种类加载器& 自定义加载器
- 获取 ClassLoader的4种方式
- 自定义类加载器(User Defined ClassLoader)
双亲委派机制
- 双亲委派机制优势
其它
- 类有2种使用方式
- - 被动使用例子:
  - 7种主动使用的方式

概述

Java虚拟机中执行的指令称为字节码指令, 类加载器(Class Loader)是负责将字节码(.class)文件按二进制流的方式装载到方法区的, 然后通过执行引擎(Execution Engine)来解释/ 编译为对应平台的机器指令后执行的
类加载器只负责将字节码文件装载到内存, 至于是否可以运行, 由执行引擎来判断

类加载的过程

在这里插入图片描述

加载阶段(Loading)

从 .class文件读取字节码按二进制流的方式装载到方法区
在内存中生成指定类的 java.lang.Class实例对象, 作为此类访问入口

链接阶段(Linking)

验证(Linking)

主要包括4种验证: 文件格式(如魔数, 版本号等), DNA元数据(如字节码进行语义分析, 检查是否符合 Java语言规范), 字节码(如程序语义合法性, 逻辑等), 符号引用

准备(Prepare)

为类变量分配内存, 并设置(指定数据类型的)默认初始值, 但不包含 final修饰的 static(因为通过 final修饰后是会在编译的时候已经分配, 然后在此准备阶段时会显式的初始化)
加载器的准备阶段是在方法区进行的, 而不同与类实例对象, 创建实例对象时的内存分配是在堆中进行的

解析(Resolve)

主要解析类, 方法, 方法类型, 字段, 接口, 接口方法等. 同时将常量池中的符号引用转换为直接引用

初始化阶段(Initialization)

类中有静态变量或静态代码块时, 会在对应类的字节码文件中, 产生针对静态变量的构造器<clinit>(), 如果没有静态变量就不会产生<clinit>(). 在此阶段给每个静态变量显式的赋值注: 变量赋值顺序是 Java源代码中的代码顺序


public class App {
    static {
        age = 10;
    }
    private static Integer age = 35;

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(age);
    }

}
# 输出: 35

若类有父类, 父类的<clinit>(), 会优先执行后, 执行子类的构造器
虚拟机执行类加载时, 只会调用一次<clinit>(), 所以多线程下是有同步加锁的


public class App {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            Demo demo = new Demo();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        };
        new Thread(r, "线程01").start();
        new Thread(r, "线程02").start();
    }
}

class Demo {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "首次初始化!");
            while (true) {}
        }
    }
}
# 输出: 
线程01开始
线程02开始
线程01首次初始化! # 验证在此会被锁住

JVM虚拟机规范上, 类加载器有两种分别为引导类加载器和自定义加载器. 规范上(派生于 ClassLoader类的加载器都划分为自定义类加载器)

3种类加载器& 自定义加载器

启动/引导类加载器(BootStrap ClassLoader)

此加载器是使用 C/C++编写的
没有父级加载器(不继承 ClassLoader类)
主要用于加载核心类库如: %JRE_HOME%\lib\rt.jar, resources.jar, charsets.jar等
还有 sun.boot.class.path路径下的内容用于加载JVM自身需要用的类
出于安全原因, 引导类加载器只加载包名为 java, javax, sun开头的类

扩展类加载器(Extension ClassLoader)

此加载器是使用 Java编写的, 类位置在 %JRE_HOME%\lib\rt.jar!\sun\misc\Launcher.class, 是 sun.misc.Launcher.class内的静态内部类 ExtClassLoader. (sun.misc.Launcher是虚拟机的入口)
派生于 ClassLoader类
自动加载扩展目录内的 jar包 %JRE_HOME%\lib\ext, 和通过选项 -Djava.ext.dirs=指定的目录

应用/系统类加载器(Application ClassLoader)

此加载器是使用 Java编写的, 类位置在 %JRE_HOME%\lib\rt.jar!\sun\misc\Launcher.class, 是 sun.misc.Launcher.class内的静态内部类 AppClassLoader
派生于 ClassLoader类
自动加载环境变量 classpath内属性 java.class.path指定路径下的类库
此加载器是默认类加载器, 自己编写的类默认由它来完成加载的


try {
    System.out.println(
	    Class.forName("org.example.Test").getClassLoader()
    );
} catch (Exception e) {}
# 输出: 
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

public class ClassLoaderApp {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        System.out.println(loader);
        System.out.println(loader.getParent());
        System.out.println(loader.getParent().getParent());
    }
}
# 输出:
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 默认应用类加载器
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@610455d6 之上级是扩展类加载器
null 由于引导类加载器是 native通过C语言编写的, 所以只返回 null

获取 ClassLoader的4种方式

ClassLoader类是抽象类, 除启动类加载器外, 其它加载器都继承自它
1.获取类的 Class.forName(“java.lang.String”).getClassLoader()
2.获取当前线程上下文的 Thead.currentThread().getContextClassLoader()
3.获取系统的 ClassLoader.getSystemClassLoader()
4.获取调用者的 DriverManager.getCallerClassLoader()

自定义类加载器(User Defined ClassLoader)

自定义类加载器的使用场景

隔离加载类: 当使用中间件时, 为了防止与项目内其它框架包冲突
修改类加载的方式: 除引导加载器以外的加载器, 可以按需要动态加载
扩展加载源: 加载方式可以多元化如通过网络, 压缩包, 数据库等
防止源码泄漏: 为了防止反编译, 可以将字节码文件通过自定义加载器做加解密

实现自定义类加载器步骤

继承抽象类 java.lang.ClassLoader
在 JDK1.2前继承 ClassLoader类后, 需重写 loadClass()方法, 但之后版本已不再建议重写 loadClass(), 而是建议将自定义类加载逻辑写在 findClass()方法中
所要编写的自定义类加载器, 如果不复杂(没有加解密等需求)可以直接继承 URLClassLoader类(ClassLoader的子类). 这样可以避免自己写 findClass()方法及其获取字节码流的方式

加载类的2种方式

通过 Class.forName()方法动态加载, 默认初始化静态变量, 静态变量的初始化也可以可选 Class.forName(name, initialize, loader)中, 通过第二个参数 initialze控制
通过 ClassLoader.loadClass()方法动态加载, 不初始化静态变量


public class ClassLoaderApp 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) {
        // 指定字节码文件路径通过二进制方式读取, 如果字节码文件有锁, 则在此处进行解密
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        ClassLoaderApp loader = new ClassLoaderApp();
        try {
            Class<?> _class = Class.forName("org.example.Test2", true, loader);
            Test test = (Test) _class.newInstance();
            System.out.println(test.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

双亲委派机制

工作原理:

如果一个类加载器收到加载请求, 首先委托给父类加载器去执行
如父类还有父类加载器, 则进一步向上委托, 依次递归请求, 最终在顶层启动类加载器
如父类加载器可以完成加载就成功返回, 若父类无法完成加载, 子加载器才会尝试自己去加载, 这就是双亲委派模型

最后只会被一个加载器所加载

双亲委派机制优势

避免类的重复加载
防止核心 API被篡改(Java核心源代码保护, 又称为沙箱安全机制)


# 例: 创建包名和名称相同的 String类
package java.lang;
public class String {
    static {
        System.out.println("初始化自定义 String类");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("自定义的 String.main()");
    }

}
# 输出:
错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

- 通过双亲委派机制, 首先会从顶层的引导类加载器(不过包名开头为 java时默认会选择引导类加载器), 尝试查找指定类(包名和名称相同的类), 同时默认核心类库中的 String类内没有 main方法, 因此找不到 main方法

public class ClassLoaderApp {
    public static void main(String[] args) {
        java.lang.String str = new java.lang.String();
    }

}
# 输出:
无输出 

- 由于在引导类加载器, 已经加载过了核心类库中的 java.lang.String, 因此自定义 String类未被加载

其它

JVM中表示两个对象是否为同一个类的, 判断条件是类名称和包路径相同, 同时加载器的实例也必须相等
JVM中记录一些类型信息时, 也会将类加载器的一个引用也作为类型的一部分存在方法区中

类有2种使用方式

分别为主动使用和被动使用, 区别是首次主动使用时会初始化静态变量及静态块, 而被动使用则不会

被动使用例子:

(1) 通过子类引用访问父类的静态变量, 属子类的被动使用, 不会导致子类的初始化


class A {
    static int count = 1;
    static {
        System.out.println("初始化 A类");
    }
}

class B extends A {
    static {
        System.out.println("初始化 B类");
    }
}

public class App {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(B.count);
    }

}
# 输出:
初始化 A类
1

(2) 在编译阶段, 会将常量存入到, 调用方法所在的类的常量池中, 所以没有直接引用到定义常量的类, 因此不会触发定义常量的类的初始化


class D {
    static final int count = 1;
    static {
        System.out.println("初始化 D类");
    }
}

public class ClassLoaderApp {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(D.count);
    }

}
# 输出:
1

# 但是, 如果将 D类的变量改为以下形式, 就属于主动使用, 所以 D类会被初始化. 因为 UUID.randomUUID().toString()方法是运行期确认的
class D {
    static final String uuid = UUID.randomUUID().toString();
    static {
        System.out.println("初始化 D类");
    }
}

public class ClassLoaderApp {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(D.uuid);
    }

}
# 输出:
初始化 D类
ac65e308-ea8f-4734-bb72-e29a013954a0

7种主动使用的方式

通过 new关键字创建类实例
访问指定类的静态变量
调用指定类的静态方法
通过反射加载类例 Class.forName(“org.example.Test”)
初始化指定类的子类
虚拟机启动时被表明为启动类的类
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句柄对应类没有初始化, 则初始化

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JVM类加载器子系统

JVM Class Loader SubSystem

概述

类加载的过程

加载阶段(Loading)

链接阶段(Linking)

初始化阶段(Initialization)

3种类加载器& 自定义加载器

获取 ClassLoader的4种方式

自定义类加载器(User Defined ClassLoader)

双亲委派机制

双亲委派机制优势

其它

类有2种使用方式

被动使用例子:

7种主动使用的方式

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