Java-JVM-架构-类加载器

企业开发 2024-03-13 21:04:42 阅读次数: 0

Java 虚拟机（JVM）是一个能够执行 Java 字节码的虚拟机器，它是 Java 技术的核心，提供了跨平台、安全性和自动内存管理等特性。JVM 架构包括以下几个主要组成部分：

  1. 类加载器（ClassLoader）： 类加载器负责将字节码文件加载到内存中，并生成相应的类对象。JVM 提供了三种类加载器：BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader 和 AppClassLoader，它们分别负责加载 Java 核心类库、扩展类库和应用程序类。

  2. 运行时数据区（Runtime Data Area）： 运行时数据区包括方法区、堆、虚拟机栈、本地方法栈和程序计数器等，用于存储程序运行过程中的数据。其中，堆用于存储对象实例，方法区用于存储类信息和静态变量，虚拟机栈用于存储方法调用和局部变量，本地方法栈用于执行本地方法，程序计数器用于记录当前线程执行的字节码指令地址。

  3. 执行引擎（Execution Engine）： 执行引擎负责解释和执行字节码指令，将 Java 字节码转换为机器码并执行。JVM 提供了多种执行引擎，包括解释器、即时编译器和混合模式执行引擎，用于提高程序的执行效率。

  4. 本地方法接口（Native Interface）： 本地方法接口允许 Java 程序调用本地方法，即由其他语言编写的原生代码。JVM 提供了 JNI（Java Native Interface）作为 Java 程序与本地代码交互的标准接口。

  5. 垃圾回收器（Garbage Collector）： 垃圾回收器负责自动管理内存，通过回收不再使用的对象实例来释放内存空间，防止内存泄漏和溢出。JVM 提供了多种垃圾回收算法和垃圾回收器实现，如标记-清除算法、复制算法、标记-整理算法和分代垃圾回收等。

  6. 即时编译器（Just-In-Time Compiler，JIT）： 即时编译器将字节码动态编译为本地机器码，以提高程序的执行效率。JIT 编译器可以将频繁执行的字节码指令优化为机器码，减少解释器的执行开销，提高程序的运行速度。

综上所述，JVM 架构由类加载器、运行时数据区、执行引擎、本地方法接口、垃圾回收器和即时编译器等组成，它们共同协作实现了 Java 程序的执行和内存管理。

类加载器（ClassLoader）

是 Java 虚拟机（JVM）的一部分，负责加载 Java 类文件到内存中，以便在程序运行时创建相应的类对象。类加载器是 JVM 实现动态类加载和运行时多态的关键组件之一。

Java 中的类加载器属于反射机制的一部分，它主要负责以下几个任务：

加载（Loading）

  • 类加载器通过查找类文件并将其字节码加载到 JVM 内存中。加载过程可以是从本地文件系统、网络或其他来源加载类文件。
    类加载器的加载过程主要包括以下几个步骤：

    1. 定位： 类加载器首先需要根据类的全限定名（包括包名和类名）来定位类文件的位置。在标准的 Java 应用程序中，类文件通常位于类路径（Classpath）中，可以是文件系统中的路径，也可以是 JAR 文件中的路径，甚至可以是网络资源的路径。

      • JAR 文件中的路径，示例

        import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;

public class JarClassLoaderExample {
          
          
    public static void main(String[] args) throws Exception {
          
          
        // 定义JAR文件的路径
        String jarFilePath = "/path/to/example.jar";
        
        // 创建URLClassLoader，指定JAR文件路径
        URL jarFileUrl = new URL("file:" + jarFilePath);
        URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(new URL[] {
          
           jarFileUrl });
        
        // 加载JAR文件中的类
        Class<?> jarClass = classLoader.loadClass("com.example.ExampleClass");
        
        // 使用加载的类
        Object instance = jarClass.newInstance();
        
        // 调用类的方法
        // ...
    }
}

      • 网络资源的路径，示例

        import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;

public class NetworkClassLoaderExample {
          
          
    public static void main(String[] args) throws Exception {
          
          
        // 定义远程类文件的URL
        URL url = new URL("http://example.com/classes/");
        
        // 创建URLClassLoader，指定远程资源路径
        URLClassLoader classLoader = new URLClassLoader(new URL[] {
          
           url });
        
        // 加载远程类
        Class<?> remoteClass = classLoader.loadClass("com.example.RemoteClass");
        
        // 使用加载的类
        Object instance = remoteClass.newInstance();
        
        // 调用类的方法
        // ...
    }
}

    2. 读取： 一旦定位到类文件的位置，类加载器就会读取类文件的字节码数据到内存中。这通常涉及到文件 I/O 操作或者网络请求，以便获取类文件的内容。

      • 示例：

        import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.InputStream;

public class ClassLoaderExample {
          
          
    public static void main(String[] args) throws Exception {
          
          
        // 获取类加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderExample.class.getClassLoader();

        // 类文件路径
        String className = "com.example.ExampleClass";
        String classFilePath = className.replace('.', '/') + ".class";

        // 通过类加载器读取类文件的字节码数据
        InputStream inputStream = classLoader.getResourceAsStream(classFilePath);
        ByteArrayOutputStream outputStream = new ByteArrayOutputStream();
        byte[] buffer = new byte[1024];
        int bytesRead;
        while ((bytesRead = inputStream.read(buffer)) != -1) {
          
          
            outputStream.write(buffer, 0, bytesRead);
        }
        byte[] classBytes = outputStream.toByteArray();

        // 打印类文件的字节码数据（以16进制字符串形式）
        System.out.println(bytesToHex(classBytes));
    }

    // 辅助方法：将字节数组转换为16进制字符串
    private static String bytesToHex(byte[] bytes) {
          
          
        StringBuilder sb = new StringBuilder();
        for (byte b : bytes) {
          
          
            sb.append(String.format("%02X ", b));
        }
        return sb.toString();
    }
}

    3. 定义： 读取到类文件的字节码数据后，类加载器将这些数据转换为 JVM 内部能够识别的数据结构，并创建一个代表该类的 java.lang.Class 对象。这个过程称为类的定义（Define）。

    4. 链接： 类加载器在链接阶段会执行三个子阶段：验证（Verification）、准备（Preparation）和解析（Resolution）。验证阶段确保类文件的字节码符合 JVM 规范和安全性要求；准备阶段为类的静态变量分配内存并初始化默认值；解析阶段将符号引用解析为直接引用。

      • 验证（Verification）: 确保字节码文件的格式符合Java虚拟机规范，并且不包含安全漏洞。验证阶段会检查字节码的静态结构、类型安全性等。

        1. 文件格式验证（File Format Verification）： 首先对类文件的字节码格式进行验证，确保其符合Java虚拟机规范，这是加载过程中的第一步。

        2. 元数据验证（Metadata Verification）： 在文件格式验证通过后，对类文件中的元数据信息进行验证，包括类的继承关系、方法的参数和返回值类型等。

        3. 字节码验证（Bytecode Verification）： 在元数据验证通过后，对字节码指令序列进行验证，确保其语义合法，不会导致虚拟机执行时出现安全漏洞或错误。

        4. 符号引用验证（Symbolic Reference Verification）： 在字节码验证通过后，对类文件中的符号引用进行验证，确保其能够正确解析，并指向有效的目标。

        5. 访问权限验证（Access Control Verification）： 最后对类文件中的访问权限设置进行验证，包括访问私有成员的合法性等。

      • 准备（Preparation）: 为类的静态变量分配内存空间，并设置默认初始值。在这个阶段，JVM会为每个类的静态变量分配内存，并初始化为默认值（零值）。

      • 解析（Resolution）: 将类、方法、字段等符号引用解析为直接引用。解析阶段会将符号引用替换为直接引用，例如将类名解析为对应的类实例，将方法名解析为方法的入口地址等。

    5. 初始化： 在类的初始化阶段，类加载器会执行类的静态代码块和静态变量的赋值操作，完成类的初始化工作。这一阶段通常在类第一次被使用时触发，发生在类加载完成后。

    6. 连接： 最后，类加载器将加载的类与已加载的类进行连接，形成类之间的关联关系，以便 JVM 可以正确执行程序中的类和方法调用。

    Java 类加载器可以分为三个层次：引导类加载器、扩展类加载器和系统类加载器。它们按照父子关系依次串联，由根加载器（Bootstrap ClassLoader）作为顶层加载器，负责加载 Java 核心类库，而应用程序类加载器（Application ClassLoader）作为子加载器，负责加载应用程序的类。

    总之，类加载器是 Java 虚拟机的核心组件之一，它实现了 Java 的动态加载机制，为 Java 程序提供了灵活的类加载和运行时多态性支持。

    类加载流程图：
    在这里插入图片描述

Java 中的类加载器主要分为以下几种类型：

  1. Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）： 也称为根类加载器，负责加载 Java 核心类库，是 JVM 的一部分，由 C++ 实现。它是所有其他类加载器的父加载器，没有父加载器。

  2. Extension ClassLoader（扩展类加载器）： 负责加载 Java 的扩展类库，通常位于 jre/lib/ext 目录下。

  3. Application ClassLoader（应用程序类加载器）： 也称为系统类加载器，负责加载应用程序类路径（Classpath）中的类文件。

除了上述标准类加载器，Java 还支持自定义类加载器，通过继承 java.lang.ClassLoader 类并实现自定义加载逻辑，可以实现特定的类加载需求，如动态加载、热部署等。

类加载器在 Java 中具有重要的作用，它使得 Java 程序具有了灵活的动态加载和运行时多态性，并支持了一些高级特性，如反射、代理、SPI（Service Provider Interface）等。

示例:

  • 公共类

public class MyClass {
    
    
    public String message = "mes";
    private String privateField = "privateField";
    public int ii = 0;

    public void method() {
    
    
        System.out.println("Hello from MyClass!");
    }
    public void hello(String str){
    
    
        System.out.println("hello "+str);
    }
    public String returnMethod(String str,int i){
    
    
        System.out.println("returnMethod: "+str+"  int:"+i);
        return "returnMethod返回参数了";
    }
    private void privateMethod(){
    
    
        System.out.println("privateMethod");
    }
    public void thAddII(){
    
    
        new Thread(()->{
    
    
            while (true){
    
    
                try {
    
    
                    Thread.sleep(100);
                    ii ++;
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }).start();
    }

}
  • Java自定义类加载器（反射）
    类加载：Class<?> clazz = classLoader.loadClass(“jvm.MyClass”);
    反射：
    clazz.getMethod(“method”).invoke(obj);
    Method method = clazz.getMethod(“hello”, String.class);
    method.invoke(obj, “World”);
package jvm;

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.lang.reflect.Field;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    
    

    private String classPath;

    public CustomClassLoader(String classPath) {
    
    
        this.classPath = classPath;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    
    
        byte[] classData = loadClassData(name);
        if (classData == null) {
    
    
            throw new ClassNotFoundException();
        }
        return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
    }

    private byte[] loadClassData(String className) {
    
    
        String path = classPath + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
        try (FileInputStream fis = new FileInputStream(path);
             ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream()) {
    
    
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int bytesRead;
            while ((bytesRead = fis.read(buffer)) != -1) {
    
    
                bos.write(buffer, 0, bytesRead);
            }
            return bos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
    
    
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IllegalAccessException, InstantiationException, NoSuchMethodException, InvocationTargetException, NoSuchFieldException {
    
    
        // 实例化自定义类加载器，指定类文件所在的目录
        CustomClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("path/to/classes");

        // 使用自定义类加载器加载指定类
        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("jvm.MyClass");

        // 实例化加载的类
        Object obj = clazz.newInstance();

        // 调用加载的类的方法
        clazz.getMethod("method").invoke(obj);
        // 获取方法
        Method method = clazz.getMethod("hello", String.class);
        // 调用方法
        method.invoke(obj, "World");

        // 获取字段
        Field field = clazz.getField("message");
        // 设置字段值
        field.set(obj, "Hello World!");
        // 获取字段值
        String message = (String) field.get(obj);
        System.out.println("Message: " + message);

        // 获取私有字段
        Field privateField = clazz.getDeclaredField("privateField");
        // 设置字段可访问
        privateField.setAccessible(true);
        // 获取私有字段的值
        Object fieldValue = privateField.get(obj);
        System.out.println("原始私有字段的值: " + fieldValue);
        // 修改私有字段的值
        privateField.set(obj, "New Value");
        // 获取修改后的私有字段的值
        Object newFieldValue = privateField.get(obj);
        System.out.println("修改后的私有字段的值: " + newFieldValue);

        // 获取私有方法
        Method privateMethod = clazz.getDeclaredMethod("privateMethod");
        // 设置方法可访问
        privateMethod.setAccessible(true);
        // 调用私有方法
        privateMethod.invoke(obj);

        // 获取方法对象
        Method privateMethodr = clazz.getDeclaredMethod("returnMethod", String.class, int.class);
        // 设置方法可访问性
        privateMethodr.setAccessible(true);
        // 调用方法并传递参数
        Object result = privateMethodr.invoke(obj, "Parameter1", 123);
        // 获取返回值
        System.out.println("Method returned: " + result);

        MyClass myClass = new MyClass();
        myClass.thAddII();
        new Thread(()->{
    
    
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
    
    
                try {
    
    
                    Thread.sleep(1000);
                    Field fii = MyClass.class.getField("ii");
                    // 获取字段值
                    Object messages = fii.get(myClass);
                    System.out.println(i+" ii: " + messages);
                } catch (InterruptedException e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                } catch (NoSuchFieldException e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                } catch (IllegalAccessException e) {
    
    
                    throw new RuntimeException(e);
                }
            }
        }).start();
    }
}

  • Bootstrap ClassLoader（引导类加载器）
    由于 Bootstrap ClassLoader 是用本地代码实现的，因此在 Java 中无法直接获得它的 Class 对象。但是，我们可以通过一些间接的方式来观察 Bootstrap ClassLoader 的效果。
    一种间接的方式是通过查看某个 Java 核心类的类加载器，例如 String 类。由于 String 类属于 Java 核心类库，因此它的类加载器应该是 Bootstrap ClassLoader。我们可以通过以下方式来验证：

    Copy code
public class BootstrapClassLoaderExample {
      
      
    public static void main(String[] args) {
      
      
        // 查看String类的类加载器
        ClassLoader stringClassLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println("String class is loaded by: " + stringClassLoader);

        // 查看Bootstrap ClassLoader加载的类
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        System.out.println("Bootstrap ClassLoader loaded classes:");
        for (URL url : urls) {
      
      
            System.out.println(url);
        }
    }
}

    请注意，sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs()方法是 Java 内部 API，可能会在未来的 Java 版本中被移除或更改。但是，它可以用于观察 Bootstrap ClassLoader 加载的类路径。

  • Extension ClassLoader（扩展类加载器）
    Extension ClassLoader 的工作流程类似于 Bootstrap ClassLoader，它也是通过双亲委派模型来加载类。当加载一个类时，Extension ClassLoader 首先会检查自己是否能够加载该类，如果不能，则会委托给父类加载器 Bootstrap ClassLoader 加载。

以下是 Extension ClassLoader 的一个简单示例，展示了如何获取 Extension ClassLoader 对象以及它加载的类：

Copy code
public class ExtensionClassLoaderExample {
    
    
    public static void main(String[] args) {
    
    
        // 获取 Extension ClassLoader 对象
        ClassLoader extensionClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
        System.out.println("Extension ClassLoader: " + extensionClassLoader);

        // 查看 Extension ClassLoader 加载的类路径
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        System.out.println("Extension ClassLoader loaded classes:");
        for (String extDir : extDirs.split(File.pathSeparator)) {
    
    
            File dir = new File(extDir);
            if (dir.isDirectory()) {
    
    
                File[] files = dir.listFiles();
                if (files != null) {
    
    
                    for (File file : files) {
    
    
                        System.out.println(file.getName());
                    }
                }
            }
        }
    }
}

请注意，由于 Extension ClassLoader 是 Java 内部 API 的一部分，因此有可能在未来的 Java 版本中发生变化。

  • Application ClassLoader（应用类加载器）
    它的工作流程类似于 Extension ClassLoader 和 Bootstrap ClassLoader，也是通过双亲委派模型来加载类。当加载一个类时，Application ClassLoader 首先会检查自己是否能够加载该类，如果不能，则会委托给父类加载器进行加载。
    以下是 Application ClassLoader 的一个简单示例，展示了如何获取 Application ClassLoader 对象以及它加载的类：
    Copy code
public class ApplicationClassLoaderExample {
      
      
    public static void main(String[] args) {
      
      
        // 获取 Application ClassLoader 对象
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println("Application ClassLoader: " + appClassLoader);

        // 查看 Application ClassLoader 加载的类路径
        String classpath = System.getProperty("java.class.path");
        System.out.println("Application ClassLoader loaded classes:");
        for (String path : classpath.split(File.pathSeparator)) {
      
      
            System.out.println(path);
        }
    }
}
    在上面的示例中，我们通过 ClassLoader.getSystemClassLoader() 方法获取了 Application ClassLoader 对象，并通过 System.getProperty(“java.class.path”) 获取了应用程序类路径，并打印了出来。
    请注意，Application ClassLoader 加载的类通常是我们自己编写的应用程序类，如 Main 类和其他自定义类。

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转载自blog.csdn.net/qq_32186487/article/details/136384183
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