JVM入門--類載入器

来源:https://www.cnblogs.com/jklixin/archive/2020/05/14/12891035.html
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一、基礎架構 概覽 我們平時說的棧是指的Java棧，native method stack 裡面裝的都是native方法 細節架構圖 二、類載入器 1、類的載入 方法區並不是存放方法的區域，其是存放類的描述信息(==模板==)的地方 Class loader只是負責class文件的載入，相當於快遞員 ...


一、基礎架構

概覽

img

我們平時說的棧是指的Java棧，native method stack 裡面裝的都是native方法

細節架構圖

img

1589163380073

二、類載入器

1、類的載入

1587995522913

img

  • 方法區並不是存放方法的區域，其是存放類的描述信息(模板)的地方
  • Class loader只是負責class文件的載入，相當於快遞員，這個“快遞員”並不是只有一家，Class loader有多種
  • 載入之前是“class”，載入之後就變成了“Class”，這是安裝java.lang.Class模板生成了一個實例。“Class”就裝載在方法區，模板實例化之後就得到n個相同的對象
  • JVM並不是通過檢查文件尾碼是不是.class來判斷是否需要載入的，而是通過文件開頭的特定文件標誌1587995665988

2、類的載入過程

img

註意：載入階段失敗會直接拋出異常

2.1、載入

​ 把.class文件讀入到java虛擬機中

  • 通過“類全名”來獲取定義此類的二進位位元組流

1587997991771

​ 動態編譯：jsp-->java-->class

  • 將位元組流所代表的靜態存儲結構轉換為方法區的運行時數據結構

  • 在java堆中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象，作為方法區這些數據的訪問入口

2.2、鏈接

1. 驗證

  • 確保class文件的位元組流中包含的信息符合當前虛擬機的要求，並且不會危害虛擬機自身安全。

  • 驗證階段主要包括四個檢驗過程：文件格式驗證、元數據驗證、位元組碼驗證和符號引用驗證。

2. 準備
  • 為類變數(靜態變數)分配記憶體並設置類變數預設值-->0/false/null（不包含final修飾的static，final修飾的變數會顯示初始化）
  • 在初始化之前，若使用了類變數，用到的是預設值，並非代碼中賦值的值
  • 不會為實例變數分配初始化、類變數分配在方法區中，實例變數會隨對象分配到java堆中
3. 解析

​ 虛擬機常量池內的符號引用替換為直接引用 ，類名、欄位名、方法名--->具體記憶體地址或偏移量

2.3、初始化

1. 主動/被動使用

2. 初始化註意點

  • 類變數被賦值、實例變數被初始化

  • 每個類/介面被Java程式首次主動使用的時候才會被java虛擬機初始化

  • 從上到下初始化、

  • 初始化一個類時，要求它的父類都已經被初始化了（除介面）

    • 當初始化一個類的時候並不會先初始化它實現的介面

    • 當初始化一個介面的時候，並不會初始化它的父介面

      一個父介面並不會因為它的子介面或實現類的初始化而初始化，只有當首次使用其特定的靜態變數時（即運行時常量，如介面中引用類型的變數）時才會初始化

3. 深入理解舉例1
  • 對於靜態欄位來說，只有直接定義了該欄位的類才會被初始化
  • 每個類在初始化前，必須先初始化其父類（除介面）
  • 追蹤類的載入情況：-XX:+TraceClassLoading（+表示開啟，-表示關閉）
  • 對於常量（這裡指編譯器確定的常量）來說，常量值在編譯階段會存入到調用它的方法所在的類的常量池中，本質上調用類沒有直接引用到定義常量的類
  • 對於引用類型數組來說，其類型是由JVM在運行期間動態生成的，表示為[L+自定義類全類名（一維）這種形式
  • 準備階段只是分配記憶體、賦預設值，初始化階段才是真正的賦值（自己設定的值）
    • 初始化階段是從上到小初始化賦值
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        //單獨測試下列語句
        //1.
        System.out.println(Child.str1);
        /*輸出
        * Parent static block
        * hello I'm Parent
        */
        //2.
        System.out.println(Child.str2);
        /*輸出
        * Parent static block
        * Child static block
        * hello I'm Child
        */
        //3.
        System.out.println(Parent.str3);
        /*輸出
        * hello I'm Parent2
        * */
        //4.
        System.out.println(Parent.str4);
        /*輸出
        * 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());
        /*輸出
        * 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);
        /*輸出
        * 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. 結果分析
  1. Child屬於被動使用，Parent是主動使用，所以只會初始化Parent
  2. Child屬於主動使用，所以會初始化Child，由於初始化的類具有父類所以先初始化父類
  3. Parent並沒有被使用到，str3的值在編譯期間就被存入CLassLoaderTest這個調用它的方法所在的類的常量池中，與Parent無關
  4. str4不是編譯期間就能確定的常量，就不會放到調用方法類的常量池中，在運行時主動使用Parent類進而需要初始化該類
  5. 沒有對Parent類初始化，引用數組類型並非Parent類，而是jvm動態生成的class [Lcom.lx.Parent
  6. 首先訪問Singleton的靜態方法--》Singleton是主動使用--》先初始化
    1. 第一種：準備階段給count1,2分配空間預設值已經為0了，此時給類變數singleton初始化，調用構造方法，分別加一
    2. 第二種：同上，但是在給singleton初始化時，count2並未初始化，自增只是暫時的，隨後就要對它初始化，所以在count2初始化前對他進行的操作時無效的。

類載入情況

情況1：

  • 載入object....類
  • 載入啟動類
  • 載入父類
  • 載入子類

類的載入並非一定要該類被主動使用化

1588845311178

情況2：同上

情況3：

​ 自定義的類只載入了啟動類（調用常量的方法所在的類）

​ 1588917876432

情況4：載入啟動類以及Parent類

反編譯結果

情況1：

1588918065497

情況2：類似1

情況3：沒有引用到Parent類（定義常量的類）

1588917553379

1588917592415

情況4：類似1

5. 深入理解舉例2

介面中定義的變數都是常量

常量又分為編譯期常量和運行期常量，編譯期常量的值在編譯期間就可以確定，直接存儲在了調用類的常量池中，所以訪問介面中的編譯期常量並不會導致介面的初始化，只有訪問介面中的運行期常量才會引起介面的初始化。

父介面並不會因為子介面或是實現類的初始化而初始化，當訪問到了其特定的靜態變數時（即運行時常量，如介面中引用類型的變數）才會初始化

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);
        /*輸出
        * 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. 結果分析

​ 第3行：子類初始化前必須初始化父類

​ 第5-8行：訪問到編譯時常量（已經存入了調用方法類的常量池中），不會導致初始化

​ 第9行: 訪問了運行時常量，需要初始化定義該運行時常量的類

​

3、類載入器分類

img

一、java虛擬機自帶的類載入器

  1. 啟動類載入器(Bootstrap) ，C++所寫，不是ClassLoader子類

    1587996894484

  2. 擴展類載入器(Extension) ，Java所寫

    1587996931132

  3. 應用程式類載入器(AppClassLoader)。

    • 自定義類一般為系統（應用）類載入器載入

二、用戶自定義的類載入器

import com.gmail.fxding2019.T;

public class  Test{
    //Test:查看類載入器
    public static void main(String[] args) {

        Object object = new Object();
        //查看是那個“ClassLoader”（快遞員把Object載入進來的）
        System.out.println(object.getClass().getClassLoader());
        //查看Object的載入器的上一層
        // error Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException（已經是祖先了）
        //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自帶的類(Object、String、ArrayList等)，其使用的載入器是Bootstrap載入器；如果自己寫的類，使用的是AppClassLoader載入器；Extension載入器是負責將把java更新的程式包的類載入進行
  • 輸出中，sun.misc.Launcher是JVM相關調用的入口程式
  • Java載入器個數為3+1。前三個是系統自帶的，用戶可以定製類的載入方式，通過繼承Java. lang. ClassLoader

4、雙親委派機制

Java虛擬機採用按需載入的方式，當需要使用該類是才會去講class文件載入到記憶體生成class對象，載入類是採用的是雙親委派機制

自底向上檢查類是否已經被載入

自頂向下嘗試載入類

img

原理圖：

1587996814470

另外一種機制：

1587997009728

雙親委派優勢：

  • 避免類的重覆載入。
  • 保護程式安全、防止核心api被惡意篡改（如下例子）

用戶自定義的類載入器不可能載入到一個有父載入器載入的可靠類，從而防止不可靠惡意代碼代替父載入器載入的可靠的代碼。例如：Object類總是有跟類載入器載入，其他用戶自定義的類載入器都不可能載入含有惡意代碼的Object類

//測試載入器的載入順序
package java.lang;

public class String {

    public static void main(String[] args) {

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

    }
}

/*
* output:
* 錯誤: 在類 java.lang.String 中找不到 main 方法
* */

解釋：

​ 交給啟動類載入器之後（java.lang.String/由java開頭的包名）歸它管，所以它首先載入這個類（如果核心api內沒有改類也會報錯），輪不到讓系統類載入器去載入該類，即無法載入到自己所寫的String類，核心api中的String類沒有main方法，所以會報錯說找不到main方法

5、補充：

類的實例化

  • 為新的對象分配記憶體
  • 為實例變數賦預設值
  • 為實例變數賦值（自己定義的）
  • 為其生成/方法或者說構造方法

判斷為同一個類的必要條件

1587998788675

1587998831945

使用類載入器的原因

1587998555990

自定義類載入器

1587998581137

獲取類載入器方法：

1587998660341

沙箱安全機制

1587998743968

命名空間

1589172763494

image-20200513210956821

loadClass方法

​ 通過調用ClassLoader類的loadClass方法載入一個類，並不是對一個類的主動使用，不會導致初始化。

類的卸載

1589172984560

1589173023474


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