JVM入门--类加载器

一、基础架构

概览

我们平时说的栈是指的Java栈，native method stack 里面装的都是native方法

细节架构图

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二、类加载器

1、类的加载

• 方法区并不是存放方法的区域，其是存放类的描述信息(模板)的地方
• Class loader只是负责class文件的加载，相当于快递员，这个“快递员”并不是只有一家，Class loader有多种
• 加载之前是“class”，加载之后就变成了“Class”，这是安装java.lang.Class模板生成了一个实例。“Class”就装载在方法区，模板实例化之后就得到n个相同的对象
• JVM并不是通过检查文件后缀是不是.class来判断是否需要加载的，而是通过文件开头的特定文件标志

2、类的加载过程

注意：加载阶段失败会直接抛出异常

2.1、加载

​ 把.class文件读入到java虚拟机中

• 通过“类全名”来获取定义此类的二进制字节流

​ 动态编译：jsp-->java-->class

• 将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构

• 在java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口

2.2、链接

1. 验证

• 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安全。

• 验证阶段主要包括四个检验过程：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。

2. 准备

• 为类变量(静态变量)分配内存并设置类变量默认值-->0/false/null（不包含final修饰的static，final修饰的变量会显示初始化）
• 在初始化之前，若使用了类变量，用到的是默认值，并非代码中赋值的值
• 不会为实例变量分配初始化、类变量分配在方法区中，实例变量会随对象分配到java堆中

3. 解析

​ 虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用 ，类名、字段名、方法名--->具体内存地址或偏移量

2.3、初始化

1. 主动/被动使用

2. 初始化注意点

• 类变量被赋值、实例变量被初始化

• 每个类/接口被Java程序首次主动使用的时候才会被java虚拟机初始化

• 从上到下初始化、

• 初始化一个类时，要求它的父类都已经被初始化了（除接口）

  • 当初始化一个类的时候并不会先初始化它实现的接口

  • 当初始化一个接口的时候，并不会初始化它的父接口

    一个父接口并不会因为它的子接口或实现类的初始化而初始化，只有当首次使用其特定的静态变量时（即运行时常量，如接口中引用类型的变量）时才会初始化

3. 深入理解举例1

• 对于静态字段来说，只有直接定义了该字段的类才会被初始化
• 每个类在初始化前，必须先初始化其父类（除接口）
• 追踪类的加载情况：-XX:+TraceClassLoading（+表示开启，-表示关闭）
• 对于常量（这里指编译器确定的常量）来说，常量值在编译阶段会存入到调用它的方法所在的类的常量池中，本质上调用类没有直接引用到定义常量的类
• 对于引用类型数组来说，其类型是由JVM在运行期间动态生成的，表示为[L+自定义类全类名（一维）这种形式
• 准备阶段只是分配内存、赋默认值，初始化阶段才是真正的赋值（自己设定的值）
  • 初始化阶段是从上到小初始化赋值

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        //单独测试下列语句
        //1.
        System.out.println(Child.str1);
        /*输出
        * Parent static block
        * hello I'm Parent
        */
        //2.
        System.out.println(Child.str2);
        /*输出
        * Parent static block
        * Child static block
        * hello I'm Child
        */
        //3.
        System.out.println(Parent.str3);
        /*输出
        * hello I'm Parent2
        * */
        //4.
        System.out.println(Parent.str4);
        /*输出
        * Parent static block
        * 78f59c0d-b91c-4e32-8109-dec5cb23aa13
        * */
        //5.
        Parent[] parents1=new Parent[1];
        System.out.println(parents1.getClass());
        Parent[][] parents2=new Parent[2][2];
        System.out.println(parents2.getClass());
        /*输出
        * class [Lcom.lx.Parent;
        * class [[Lcom.lx.Parent;
        * */
        //6.
        System.out.println(Singleton1.count1);
        System.out.println(Singleton1.count2);
        System.out.println(Singleton2.count1);
        System.out.println(Singleton2.count2);
        /*输出
        * 1，1，1，0
        * */
        
    }
}
class Parent{
    public static  String str1 = "hello I'm Parent";
	public static final String str3 = "hello I'm Parent2";
    public static final String str4 = UUID.randomUUID().toString();

    
    static {
        System.out.println("Parent static block");
    }
}
class Child extends Parent{
    public static  String str2 = "hello I'm Child";

    static {
        System.out.println("Child static block");
    }
}

class Singleton1 {
    public static int count1;
    public static int count2=0;
    public static Singleton1 singleton1=new Singleton1();

    public Singleton1() {
        count1++;
        count2++;
    }

    public Singleton1 getInstance(){
        return singleton1 ;
    }
}
class Singleton2 {
    public static int count1;
    public static Singleton2 singleton2=new Singleton2();

    public Singleton2() {
        count1++;
        count2++;
    }

    public static int count2=0;

    public Singleton2 getInstance(){
        return singleton2 ;
    }
}

4. 结果分析

1. Child属于被动使用，Parent是主动使用，所以只会初始化Parent
2. Child属于主动使用，所以会初始化Child，由于初始化的类具有父类所以先初始化父类
3. Parent并没有被使用到，str3的值在编译期间就被存入CLassLoaderTest这个调用它的方法所在的类的常量池中，与Parent无关
4. str4不是编译期间就能确定的常量，就不会放到调用方法类的常量池中，在运行时主动使用Parent类进而需要初始化该类
5. 没有对Parent类初始化，引用数组类型并非Parent类，而是jvm动态生成的class [Lcom.lx.Parent
6. 首先访问Singleton的静态方法--》Singleton是主动使用--》先初始化
   1. 第一种：准备阶段给count1,2分配空间默认值已经为0了，此时给类变量singleton初始化，调用构造方法，分别加一
   2. 第二种：同上，但是在给singleton初始化时，count2并未初始化，自增只是暂时的，随后就要对它初始化，所以在count2初始化前对他进行的操作时无效的。

类加载情况

情况1：

• 加载object....类
• 加载启动类
• 加载父类
• 加载子类

类的加载并非一定要该类被主动使用化

情况2：同上

情况3：

​ 自定义的类只加载了启动类（调用常量的方法所在的类）

​

情况4：加载启动类以及Parent类

反编译结果

情况1：

情况2：类似1

情况3：没有引用到Parent类（定义常量的类）

情况4：类似1

5. 深入理解举例2

接口中定义的变量都是常量

常量又分为编译期常量和运行期常量，编译期常量的值在编译期间就可以确定，直接存储在了调用类的常量池中，所以访问接口中的编译期常量并不会导致接口的初始化，只有访问接口中的运行期常量才会引起接口的初始化。

父接口并不会因为子接口或是实现类的初始化而初始化，当访问到了其特定的静态变量时（即运行时常量，如接口中引用类型的变量）才会初始化

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(new demo2().a);
        System.out.println("=====");
        System.out.println(son1.a);
        new demo1().show();
        System.out.println(demo1.str);
        System.out.println(son1.b);
        System.out.println(demo1.s);//System.out.println(son1.s);
        /*输出
        * father2 singleton
        * 1
        * =====
        * 1
        * show method
        * string
        * father1 singleton
        * com.lx.father1$1@1b6d3586
        * */
    }
}
interface father1{
    int a=1;
    void show();
    String str="string";
    Singleton1 s=new Singleton1(){
        {
            System.out.println("father1 singleton");
        }
    };
}
interface son1 extends father1 {
    int b=0;
    Singleton1 s1=new Singleton1(){
        {
            System.out.println("son1 singleton");
        }
    };
}
class demo1 implements father1{
    @Override
    public void show() {
            System.out.println("show method");
    }
}
class father2{
    int a=1;
    void show(){}
    String str="string";
    Singleton1 s=new Singleton1(){
        {
            System.out.println("father2 singleton");
        }
    };
}
class demo2 extends father2{

}

6. 结果分析

​ 第3行：子类初始化前必须初始化父类

​ 第5-8行：访问到编译时常量（已经存入了调用方法类的常量池中），不会导致初始化

​ 第9行: 访问了运行时常量，需要初始化定义该运行时常量的类

​

3、类加载器分类

一、java虚拟机自带的类加载器

1. 启动类加载器(Bootstrap) ，C++所写，不是ClassLoader子类

   

2. 扩展类加载器(Extension) ，Java所写

   

3. 应用程序类加载器(AppClassLoader)。

   • 自定义类一般为系统（应用）类加载器加载

二、用户自定义的类加载器

import com.gmail.fxding2019.T;

public class  Test{
    //Test:查看类加载器
    public static void main(String[] args) {

        Object object = new Object();
        //查看是那个“ClassLoader”（快递员把Object加载进来的）
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        //查看Object的加载器的上一层
        // error Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException（已经是祖先了）
        //System.out.println(object.getClass().getClassLoader().getParent());

        System.out.println();

        Test t = new Test();
        System.out.println(t.getClass().getClassLoader().getParent().getParent());
        System.out.println(t.getClass().getClassLoader().getParent());
        System.out.println(t.getClass().getClassLoader());
    }
}

/*
*output:
* null
* 
* null
* sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c
* sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
* */

• 如果是JDK自带的类(Object、String、ArrayList等)，其使用的加载器是Bootstrap加载器；如果自己写的类，使用的是AppClassLoader加载器；Extension加载器是负责将把java更新的程序包的类加载进行
• 输出中，sun.misc.Launcher是JVM相关调用的入口程序
• Java加载器个数为3+1。前三个是系统自带的，用户可以定制类的加载方式，通过继承Java. lang. ClassLoader

4、双亲委派机制

Java虚拟机采用按需加载的方式，当需要使用该类是才会去讲class文件加载到内存生成class对象，加载类是采用的是双亲委派机制

自底向上检查类是否已经被加载

自顶向下尝试加载类

原理图：

另外一种机制：

双亲委派优势：

• 避免类的重复加载。
• 保护程序安全、防止核心api被恶意篡改（如下例子）

用户自定义的类加载器不可能加载到一个有父加载器加载的可靠类，从而防止不可靠恶意代码代替父加载器加载的可靠的代码。例如：Object类总是有跟类加载器加载，其他用户自定义的类加载器都不可能加载含有恶意代码的Object类

//测试加载器的加载顺序
package java.lang;

public class String {

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("hello world!");

    }
}

/*
* output:
* 错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法
* */

解释：

​ 交给启动类加载器之后（java.lang.String/由java开头的包名）归它管，所以它首先加载这个类（如果核心api内没有改类也会报错），轮不到让系统类加载器去加载该类，即无法加载到自己所写的String类，核心api中的String类没有main方法，所以会报错说找不到main方法

5、补充：

类的实例化

• 为新的对象分配内存
• 为实例变量赋默认值
• 为实例变量赋值（自己定义的）
• 为其生成 / 方法或者说构造方法

判断为同一个类的必要条件

使用类加载器的原因

自定义类加载器

获取类加载器方法：

沙箱安全机制

命名空间

loadClass方法

​ 通过调用ClassLoader类的loadClass方法加载一个类，并不是对一个类的主动使用，不会导致初始化。

类的卸载

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