简说java虚拟机类加载

    技术2022-07-10  156

    什么是类加载机制

    Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存,并对数据进行校验、转换解析和初始化,最 终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型,这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

    一个类的一生

    类的一生从加载到虚拟机内存开始到卸载出内存为止整个生命周期分为七个阶段: 加载、验证、准备、解析、初始化、使用、卸载七个阶段。其中加载、验证、准备、初始化、和卸载这五个截断相对顺序是固定的,解析的话在某些情况下不一定在初始化前面,而在初始化后面进行!比如动态绑定(在运行时期根据具体对象的类型进行绑定)。 加载:加载阶段虚拟机主要完成三件事情 1)通过一个类的全限定名来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 3)在内存中生成一个代表这个类的java.land.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口 验证:这个阶段主要是确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合java虚拟机规范,也就是Class文件是否按照规范来的,也能够保证运行的信息不会对虚拟机产生危害。验证阶段大致分为下面4个阶段: 1)文件格式验证,第一阶段要验证字节流是否符合Class文件格式的规范,并且能被当前虚拟机处理,比如是否以魔数0xCAFEBABE(很有诗意的开头)开头,主次版本号是否在当前虚拟机处理范围之内。 2)元数据验证,第二阶段是对字节码描述信息进行语义分析,保证符合java语言规范的要求,比如这个类是否有父类(除java.land.Object外所有的类都应当有父类)。 3)字节码验证,第三阶段主要是通过数据流和控制流分析,确定程序语义是合法的,符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型做完校验后,这个阶段对类的方法体进行校验分析,保证类的方法运行时不会做出危害虚拟机的动作。 4)符号引用验证,最后一个阶段发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候,这个转化动作将在连接的第三阶段——解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外的信息=进行匹配性校验。比如,符号引用中的通过字符串描述的全限定名是否可以找到对应的类,在指定类中是否存在符合方法的字符描述符以及简单名称所描述的方法和字段,还有符号引用中的类、字段、方法的访问性是否可以被当前类访问。 准备:准备阶段是为类中定义的变量(静态变量,被static修饰的变量)分配内存并设置类变量初始值得阶段。通常这个分配初始值并不是将定义的变量值赋予变量,而是赋予该变量的基本数据类型的零值!比如:int类型是 0,long类型的是0L,boolean是false等。但是如果这个静态变量被final修饰,那么在准备阶段就会被赋予为变量索要定义的值。 解析·:解析阶段是java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。那么什么是符号引用和直接引用,如下定义:

    ·符号引用(Symbolic References):符号引用以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何 形式的字面量,只要使用时能无歧义地定位到目标即可。符号引用与虚拟机实现的内存布局无关,引 用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同, 但是它们能接受的符号引用必须都是一致的,因为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(Direct References):直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能 间接定位到目标的句柄。直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的,同一个符号引用在不同虚 拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在虚拟机 的内存中存在。

    其次注意的是解析什么时候发生,java虚拟机也并未规定具体的时间,只要求了在执行ane-warray、 checkcast、getfield、getstatic、instanceof、invokedynamic、invokeinterface、invoke-special、 invokestatic、invokevirtual、ldc、ldc_w、ldc2_w、multianewarray、new、putfield和putstatic这17个用于操作符号引用的字节码指令之前。 初始化:类的初始化阶段是类加载得最后一个步骤,除了在加载阶段用户应用可以通过自定义的类加载器得方式局部参与外,其余动作完全由Java虚拟机来主导控制。直到初始化阶段,Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码。

    类加载器

    什么是类加载器?通过一个类的全限定名来获取描述该类得二进制字节流,实现整个动作就是类加载器要做的。那么需要注意的是,类在虚拟机中的唯一性是由类加载器和类本身一起确定的。因为每一个类加载器都有一个独立的类名称空间,如果一个类来源于同一个 Class文件,被同一个Java虚拟机加载,只要加载它们的类加载器不同,那这两个类就必定不相等。如下测试代码:

    ClassLoader myLoader = new ClassLoader() { @Override public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException { String fileName = name.substring(name.lastIndexOf(".") + 1) + ".class"; InputStream resourceAsStream = getClass().getResourceAsStream(fileName); if (resourceAsStream == null) { return super.loadClass(name); } try { byte[] b = new byte[resourceAsStream.available()]; resourceAsStream.read(b); return defineClass(name, b, 0, b.length); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return super.loadClass(name); } }; Object obj = myLoader.loadClass("com.xx.xx.zhuge.bean.LoadTest").newInstance(); System.out.println(obj.getClass()); System.out.println(obj instanceof com.xx.xx.zhuge.bean.LoadTest);

    运行结果:

    class com.xx.xx.zhuge.bean.LoadTest false

    好了,接下来看一下类加载器,站在虚拟机的角度来看,只存在两种不同的类加载器:一种是启动类加载器,由C++编写,虚拟机的一部分,另一种就是其他所有的类加载器,这些类加载器由Java语言实现,独立于存在于虚拟机外部,并且全部继承自抽象类java.land.ClassLoader。但是站在Java开发人员的角度,从JDK1.2以来,Java一直保持着三层类加载器,双亲委派的类加载架构,这个双亲委派后面会讲到,以及为什么要用双亲委派。 1)启动类加载器(Bootstrap Class Loader):这个类加载器负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录,或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的,而且是Java虚拟机能够 识别的(按照文件名识别,如rt.jar、tools.jar,名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载)类 库加载到虚拟机的内存中。启动类加载器无法被Java程序直接引用,用户再编写自定义加载器时,如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理,只需重写loadClass方法即可。如下代码:

    if (parent != null) { c = parent.loadClass(name, false); } else { c = findBootstrapClassOrNull(name); }

    2)扩展类加载器(Extension Class Loader):这个类加载器是在sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中,或者被java.ext.dirs系统变量所 指定的路径中所有的类库。根据“扩展类加载器”这个名称,就可以推断出这是一种Java系统类库的扩 展机制,JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能。因为扩展类加载器时由Java代码实现的,所以呢,这个是可以在应用程序中直接使用的。

    3)·应用程序类加载器(Application Class Loader):这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystemClassLoader()方法的返回值,所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径 (ClassPath)上所有的类库,开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。如果应用程序中没有 自定义过自己的类加载器,一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

    双亲委派模型

    前面提到过双亲委派模型,在说这个概念之前,假设我们想编写一个类叫java.land.Object,放在应用程序的ClassPath中,那系统中一下子就出现了两个相同类,那么此时应用程序是不是要在风中凌乱了。。。,我该用哪一个呢?那么此时就是双亲委派模型出场的时候了!双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外,其余的类加载器都应有自己的父类加载 器。不过这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承(Inheritance)的关系来实现的,而是通常使用 组合(Composition)关系来复用父加载器的代码。 双亲委派模型的工作过程是:如果一个类加载器收到了类加载的请求,它首先不会自己尝试去加载这个类,而是把这个类加载得请求委派给父类加载器去完成。依次如此。因此所有的加载请求最终都会传送到最顶层的启动类加载器中。只有当父类反馈自己无法加载这个类(搜索范围内没有找到所需要的类),子加载器才会尝试自己去完成加载。突然想到西游记里面的真假美猴王,如果刚开始辨别的时候自己不去,而是一级一级的传上去,第一个就让如来去识别的话是不是省了很多的事了。哈哈哈。好了,上经典的图: 什么时候需要自定义类加载? 傻瓜回答当JDK提供的类加载无法满足我们的需求的时候,我想从网络上获取一个Class文件,比如类被加载前得解密(其实是特意做了加密)

    外传

    双亲委派模型这么好,那所有的类加载都一定遵循这种模型吗?不,比如(Service Provider Interface)SPI,一个典型的例子就是JNDI服务。JNDI存在的目的是对资源进行查找和集中管理,它需要调用其他厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口。那么问题来了,这些类启动类加载器绝对是不可能加载到的。为了解决这个问题,Java设计团队引入了一个不太优雅的设计:线程上下文类加载器。。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContext-ClassLoader()方 法进行设置,如果创建线程时还未设置,它将会从父线程中继承一个,如果在应用程序的全局范围内 都没有设置过的话,那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。JNDI服务使用这个线程上下文类 加载器去加载所需的SPI服务代码,这是一种父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为,这种行 为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器,已经违背了双亲委派模型的一般性 原则,但也是无可奈何的事情。Java中涉及SPI的加载基本上都采用这种方式来完成,例如JNDI、 JDBC、JCE、JAXB和JBI等。当然为了消除这种不优雅的方式,在JDK 6时,JDK提供了 java.util.ServiceLoader类,以META-INF/services中的配置信息,辅以责任链模式,这才算是给SPI的加 载提供了一种相对合理的解决方案。

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