2. JVM-类加载子系统

系列文章目录

1. JVM与Java体系结构

2. JVM-类加载子系统

3. JVM-运行时数据区概述及线程

4. JVM-程序计数器（PC寄存器）

5. JVM-虚拟机栈

6. JVM-本地方法接口

7. JVM-本地方法栈

8. JVM-堆

9. JVM-方法区

10.JVM-StringTable/StringPool

11.JVM-垃圾回收概述

12.JVM-垃圾回收相关算法

13.JVM-垃圾回收相关概念

14.JVM-垃圾回收器

---

1. 内存结构概述

简图

 详图

如果自己手写一个Java虚拟机的话，主要考虑的哪些结构呢？

• 类加载器
• 执行引擎

2. 类加载器与类的加载过程

2.1. 类加载器子系统作用

• 类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的文件标识。
• ClassLoader只负责class文件的加载（加载到内存中），至于它是否可以运行，则由Execution Engine(执行引擎)决定。（就像过节七大姑八大姨(ClassLoader)给你介绍对象，人给你带过来，能不能成就看你(Execution Engine)的造化了）
• 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中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（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）

用javap随便反编译一个class文件，可以看到常量池

2.2. 类加载器ClassLoader角色

1、class file存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例。

2、class file加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。

3、在.class文件 -> JVM -> 最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器Class Loader），扮演一个快递员的角色。

2.3. 类的加载过程

类的加载过程 的这个加载是宏观的，而下图的 加载 是狭义的

 代码

package _01;
​
public class _02_HelloLoader {
​
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("谢谢ClassLoader加载我...");
        System.out.println("你的大恩大德，我下辈子再报！");
    }
}
​
// 运行就输出打印结果而已

_02_HelloLoader类加载过程

分解过程

2.3.1工具准备

BinaryViewer

这软件随便网站找也行，也有官网，打开后随便拖一个class文件进去即可

jclasslib Bytecode viewer

这是IDEA的插件，这插件其实就是对二进制的class文件进行翻译，如果IDEA无法下载，就去官网下载：jclasslib Bytecode Viewer - IntelliJ IDEs Plugin | Marketplace

安装好之后重启IDEA 

 show，后面会细讲

2.3.2. 加载

1、通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流

2、将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。（方法区时 一个虚的概念，具体落地就看JDK版本，JDK7以及以前叫永久代，之后版本叫元空间）

3、在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

补充：加载class文件的方式

​

从本地系统中直接加载

通过网络获取，典型场景：Web Applet

从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础

运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术

由其他文件生成，典型场景：JSP应用

从专有数据库中提取.class文件，比较少见

从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

2.3.3. 链接

2.3.3.1. 验证(Verify)

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。

主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

比如：

2.3.3.2. 准备(Prepare)

为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。

这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化；

这里不会为实例变量分配初始化（调用方法实例化才会进行初始化），类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

例如：

package _01;
​
public class _03_HelloApp {
    // prepare阶段（准备阶段）：a = 0； --> initial阶段（初始化阶段）：a = 1
    private static int a = 1;
​
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

2.3.3.3. 解析(Resolve)

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

2.3.4. 初始化(Initial)

初始化阶段就是执行类构造器方法()方法的过程。

此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量（类变量就是静态变量）的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。

构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。

不同于类的构造器。（关联：类的构造器是虚拟机视角下的()，是实例或对象的构造器）

若该类具有父类，JVM会保证子类的()执行前，父类的()已经执行完毕。

虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁。

例子：

package _01;
​
public class _04_ClassInitTest {
    // 静态变量
    private static int num = 1;
​
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(_04_ClassInitTest.num);
    }
}

how Bytecode With Jclasslib一下，反编译_04_ClassInitTest.class

 反编译类变量（静态变量）的代码（多次修改源码编译得到class文件后，直接点击刷新就能看到新的反编译结果）

 增加static静态代码块，看看

 看看类变量与静态代码块的顺序

 对比不同，number输出10，说明是先执行静态代码块，后执行类变量的赋值。number在prepare阶段是0，在initial阶段经过静态代码块就是20，再经过类变量赋值就是10了

看下字节码就明白了

 注意事项

新建一个类，没有类变量、静态方法的，看下字节码

 任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器，没有声明也会自动生成

声明构造器就不会生成默认的构造器了

 说明子类加载前，父类已经加载了

package _01;
​
public class _06_ClinitTest2 {
​
    static class Father {
        public static int A = 1;
​
        static {
            A = 2;
        }
    }
​
    static class Son extends Father {
        public static int B = A;
    }
​
    public static void main(String[] args) {
        // 加载Father类，其次加载Son类
        System.out.println(Son.B);  // 输出2
    }
}
​

 虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁。举个例子

package _01;
​
public class _07_DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 两个线程都在初始化DeadThread这个类
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t1开始");
            new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t1结束");
        }, "t1").start();
​
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t2开始");
            new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t2结束");
        }, "t2").start();
    }
}
​
class DeadThread {
    /**
     * // 看看这段静态代码块会被执行多少次。 -- 实际只会被执行一次
     * 由于类变量或静态代码块合并成()方法，该方法多线程下被同步加锁的，所以一个线程new DeadThread()的时候，
     * 在()方法死循环了，另一个线程也无法new DeadThread()，最终两个线程都无法结束，都卡在new DeadThread()这一步
     */
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 初始化当前类");
            while(true) {
​
            }
        }
    }
}

运行结果

t1 线程t1开始
t2 线程t2开始
t1 初始化当前类

解释：线程t1开始了，并且初始化了DeadThread类，但是由于初始化代码之后，在静态代码块中(clinit方法)进入了死循环，线程t1无法退出，由于初始化类的过程中是加锁的，所以线程t2也进不来初始化那个类（注意，尽管两个线程new出来的是不同的对象，但是类的静态变量和静态代码块是只会执行一次，即clinit方法只会被执行一次），所以两个线程都卡住了，都无法结束线程。

3. 类加载器分类

3.1. 简介

JVM支持两种类型的类加载器 。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）。

从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是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。

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个，如下所示：

3.2. 关于ClassLoader

ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）

获取ClassLoader的途径

• 方式 1：获取当前ClassLoader：clazz.getClassLoader()
• 方式 2：获取当前线程上下文的ClassLoader：Thread.currentThread().getContextClassLoader()
• 方式 3：获取系统的ClassLoader：ClassLoader.getSystemClassLoader()
• 方式 4：获取调用者的ClassLoader：DriverManager.getCallerClassLoader()

sun.misc.Launcher 它是一个java虚拟机的入口应用

也可以用IDEA来show一下类的继承关系

 显示了它的父类的情况

用代码获取不同的加载器

package _01;
​
public class _08_ClassLoaderTest {
​
    public static void main(String[] args) {
        // 获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);  // AppClassLoader
​
        // 获取系统类加载器其上层的：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);  // ExtClassLoader
​
        // 试图获取引导类加载器（扩展类加载器的上层）
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);  // null
​
        // 获取用户自定义类的加载器
        ClassLoader classLoader = _08_ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);  // AppClassLoader
​
        // 获取String类型的加载器
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);  // null，说明String类是引导类加载器加载的
​
        // 一个比喻，就是英国女王有专门的厨师，如果你想让女王的厨师给你做饭是做不到的，所以获取引导类加载器结果为null
    }
}

运行结果

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7a7b0070
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
null

3.3. 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

引导类加载器又叫启动类加载器

• 这个类加载使用C/C++语言实现的（其他加载器是用Java实现的），嵌套在JVM内部。
• 它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/1ib/rt.jar（rt就是Runtime）、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类
• 并不继承自ava.lang.ClassLoader，没有父加载器（因为是C/C++实现的）。
• 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

（Java可以看成是C++(这可以面向对象的)的删减版，没有那么复杂 ；C#是微软的，意思是4个+组成#，觉得这是C++的升级版）

查看启动类加载器会加载哪些路径的类

package _01;
​
import java.net.URL;
import java.security.Provider;
​
public class _09_ClassLoaderTest2 {
​
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("*********启动类加载器************");
        // 获取BootstrapClassLoader 能够加载的API的路径
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL url : urls) {
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }
​
        // 从上面打印的路径中，随意选择一个类，来看看他的类加载器是什么：得到的是null，说明是 根加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);  // null
    }
}

运行结果，这路径下的jar内的类都是启动类加载器加载的

*********启动类加载器************
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Software/Java/jdk1.8.0_211/jre/classes
null

3.4. 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jre/1ib/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。

查看扩展类加载器会加载哪些路径下的类

package _01;
​
import sun.security.ec.CurveDB;
​
import java.net.URL;
import java.security.Provider;
​
public class _10_ClassLoaderTest3 {
​
    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);
        }
​
        // 从上面打印的路径中，随意选择一个类，来看看他的类加载器是什么：
        ClassLoader classLoader = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);  // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d
    }
}
​

运行结果，就lib\ext路径下的

***********扩展类加载器************
C:\Software\Java\jdk1.8.0_211\jre\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d

3.5. 应用程序类加载器（AppClassLoader）

应用程序类加载器又叫系统类加载器（SystemClassLoader）

• Java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
• 派生于ClassLoader类
• 父类加载器为扩展类加载器
• 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
• 通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

3.6. 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（比如隔离不同的中间件，避免冲突）
• 修改类加载的方式
• 扩展加载源（不同的数据源）
• 防止源码泄漏（class文件很容易被串改，所以可以自己加密class，运行的时候要解密，这时候就要自定义加载器，实现解密）

用户自定义类加载器实现步骤：

• 开发人员可以通过继承抽象类ava.1ang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
• 在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写1oadClass()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖1oadclass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass()方法中
• 在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，这样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。

自定义类加载器

package _01;
​
import java.io.FileNotFoundException;
​
public class _11_CustomClassLoader extends ClassLoader {
​
    public static void main(String[] args) {
        _11_CustomClassLoader customClassLoader = new _11_CustomClassLoader();
        try {
            Class clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
​
    @Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            // 读一个文件路径
            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);
    }
​
    // 读一个文件路径
    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        // 从自定义路径中加载指定类：细节省略
        // 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
        return null;
    }
}

4. 双亲委派机制

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。

自定义一个java.lang包下的String类

package java.lang;
​
public class String {
    // 如果使用的是我们自定义的java.lang.String类，就会输出打印信息
    static {
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
}
​

使用自定义的String

package _01;
​
public class _12_StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        java.lang.String str = new java.lang.String();
        System.out.println("hello String");
    }
}

打印结果，并没有输出静态代码块的打印信息，说明用的不是我们自定义的String类

hello String

如果能运行自定义的String，那么假如通过网络传递一个jar或者文件啊，一执行，如果是恶意串改的String类，那么整个程序就崩溃了。也是为了保护程序内部安全引入了双亲委派机制。

工作原理：

1）如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行；

2）如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器；

3）如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

（举个例子：小孩拿着苹果说，妈你吃吗，然后妈妈问奶奶，妈你吃吗，如果奶奶吃了，这苹果其他人就吃不了了，如果奶奶说，这个苹果太硬了，吃不了，给回妈妈吃，妈妈说苹果太酸了，就给回小孩吃了）

再举例子：

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候，首先我们需要知道的是 jdbc.jar是基于SPI接口进行实现的，所以在加载的时候，会进行双亲委派，最终从根加载器中加载 SPI核心类，然后在加载SPI接口类，接着在进行反向委派，通过线程上下文类加载器进行实现类 jdbc.jar的加载。（这是破坏双亲委派的内部实现）

双亲委派机制的优势：

• 避免类的重复加载

• 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

  • 自定义类：java.lang.String
  • 自定义类：java.lang.ShkStart

5. 沙箱安全机制

在自定义的String尝试执行main方法

package java.lang;
​
public class String {
    // 如果使用的是我们自定义的java.lang.String类，就会输出打印信息
    static {
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
​
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello String");
    }
}

运行结果。报错了，说没有main方法，因为java的String类就没有main方法，这也说明了加载的不是我们自定义的String类

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

自定义String类，但是在加载自定义String类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件（rt.jar包中java\lang\String.class），报错信息说没有main方法，就是因为加载的是rt.jar包中的string类。这样可以保证对java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

再举例：

在自定义的java.lang包下创建Java的java.lang包本没有的ShkStart类

package java.lang;
​
public class ShkStart {
​
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello");
    }
}
​

运行报错，安全异常SecurityException，引导类加载器加载的时候发现没有Java的java.lang包没有ShkStart类，就会报错阻止你用java.lang这个包名，起到了保护作用

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
    at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:662)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:761)
    at java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
    at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:468)
    at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:74)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:369)
    at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:363)
    at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
    at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:362)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
    at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:349)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main" 

6. 其他

6.1. 如何判断两个class对象是否相同

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件：

• 类的完整类名必须一致，包括包名。
• 加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同。

换句话说，在JVM中，即使这两个类对象（class对象）来源同一个Class文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的。

6.2. 类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为：主动使用和被动使用。

主动使用，又分为七种情况：

• 创建类的实例
• 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（比如：Class.forName（"com.xxxx.Test"））
• 初始化一个类的子类
• Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
• 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句柄对应的类没有初始化，则初始化

除了以上七种情况，其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。