☀️大白话学习JVM☀️（02）| 2张图带你彻底弄懂面试必问类加载

Posted 2021-09-20 XiaoLin__Java

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文章目录

• 二、类加载子系统
• • 2.1、类加载器与类的加载过程
  • • 2.1.1、类加载器子系统
    • 2.1.2、类加载器ClasLoader
    • 2.1.3、加载阶段
    • • 2.1.3.1、加载
      • 2.1.3.2、链接阶段
      • • 2.1.3.2.1、验证（Verify）
        • 2.1.3.2.2、准备（Prepare）
        • 2.1.3.2.3、解析（Resolve）
      • 2.1.3.3、初始化阶段
    • 2.1.4、类加载的过程
  • 2.2、 类加载器分类
  • • 2.2.1、虚拟机自带的加载器
    • • 2.2.1.1、启动类加载器
      • 2.2.1.2、扩展类加载器
      • 2.2.1.3、应用程序类加载器
    • 2.2.2、用户自定义类加载器
  • 2.3、ClassLoader的使用说明
  • 2.4、双亲委派机制
  • • 2.4.1、大白话解释双亲委派机制
    • • 2.4.1.1、父类成功加载
      • 2.4.1.2、父类加载失败
    • 2.4.2、证明双亲委派的存在
    • 2.4.3、双亲委派机制的优势
    • 2.4.4、沙箱安全机制

二、类加载子系统

2.1、类加载器与类的加载过程

2.1.1、类加载器子系统

    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，至于它是否可以运行，则由Execution Engine（执行引擎）决定。

    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）。

2.1.2、类加载器ClasLoader

    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。

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

    .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。

2.1.3、加载阶段

    在加载阶段，主要经过了加载、链接（验证、准备、解析）、初始化三个步骤。

2.1.3.1、加载

    加载步骤分为三部曲：

1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流，将硬盘中的class文件加载进JVM内存。
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。（JDK8以前叫永久代，JKD8及以后叫元空间）。
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

    我们加载class文件的方式主要有以下的七种：

1. 从本地系统中直接加载

2. 通过网络获取，典型场景：Web Applet

3. 从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础

4. 运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术

5. 由其他文件生成，典型场景：JSP应用

6. 从专有数据库中提取.class文件，比较少见

7. 从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

2.1.3.2、链接阶段

2.1.3.2.1、验证（Verify）

    验证的目的在子确保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。

    他主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

2.1.3.2.2、准备（Prepare）

    准备阶段是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。

    他也不会为实例变量分配初始化，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。在准备阶段，只有类没有对象。

2.1.3.2.3、解析（Resolve）

    解析阶段是将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程（用对象的内存地址，而不是对象本身）。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。

2.1.3.3、初始化阶段

    初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()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。<clinit>()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）

    若该类具有父类，JVM会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕，且虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁，也就是说一个类不会被初始化两次。

2.1.4、类加载的过程

/**
 *示例代码
 */
public class HelloLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

2.2、 类加载器分类

    JVM支持两种类型的类加载器 。分别为：

1. 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）。
2. 自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）。（拓展类加载器、系统类加载器、自定义类加载器）

    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。

2.2.1、虚拟机自带的加载器

2.2.1.1、启动类加载器

    启动类加载器也叫引导类加载器（Bootstrap ClassLoader），他是这个类加载使用 C/C++语言实现的，嵌套在 JVM 内部，他并不继承自 java.lang.ClassLoader，没有父加载器。我们无法通过Java代码进行获取。

    它用来加载 Java 的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path 路径下的内容），用于提供 JVM 自身需要的类。他同时还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。

2.2.1.2、扩展类加载器

    扩展类加载器（Extension ClassLoader），他是由Java 语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，派生于 ClassLoader 类。

    他的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。

2.2.1.3、应用程序类加载器

    应用程序类加载器也叫做系统类加载器（AppClassLoader），他是由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。

2.2.2、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？我们自定义类加载器的主要有四个原因：

1. 隔离加载类。
2. 修改类的加载方式。
3. 拓展加载源。
4. 防止源码泄露。

    用户自定义类加载器实现步骤：

1. 开发人员可以通过继承抽象类ava.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

2. 在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写loadClass() 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loadclass() 方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中。

3. 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。

2.3、ClassLoader的使用说明

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

方法名称	描述
getParent()	返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name)	加载一个名为name的类，返回一个java.lang.Class的实例
findClass(String name)	查找一个名为name的类，返回一个java.lang.Class的实例
findloadedClass(String name)	查找名称为name的已经被加载过的类，返回一个java.lang.Class的实例
defineClass(String name , byte[] b , int off , int len)	把字节数组b中的内容转化为一个Java类，返回一个java.lang.Class的实例
resloveClass(Class<?> c)	指定连接一个Java类

    sun.misc.Launcher它是一个java虚拟机的入口应用。

    我们如果想获取一个ClassLoader，大致有四种途径。

方式一：获取当前的ClassLoader

clazz.getClassLoader()

方式二：获取当前线程上下文的ClassLoader

	Thread.currentThread().getContextClassLoader()

方式三：获取系统的ClassLoader

ClassLoader.getSystemClassLoader()

方式四：获取调用者的ClassLoader

DriverManager.getCallerClassLoader()

2.4、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。

    他的工作原理大致是这样：

1. 当一个类加载器收到了加载类的请求时，他并不会先去自己加载，而是把这个请求委托给弗雷德加载器去进行执行。
2. 如果父类加载器还存在其他的父类加载器，就会进一步向上委托，一次递归，直到请求最终到达顶层的启动类加载器。
3. 如果父类加载器可以完成这个类的加载任务，那么就会成功返回。假如父类加载器无法完成加载这个类的任务，子类加载器才会尝试去自己加载。

2.4.1、大白话解释双亲委派机制

    假如有一个小孩，他有一个又酸又硬的苹果，这个时候家里有奶奶和妈妈。

2.4.1.1、父类成功加载

2.4.1.2、父类加载失败

2.4.2、证明双亲委派的存在

    我们在自己的项目中新建一个包名为java.lang的String类，一定要是JDK8，不能是JDK11，否则无法验证

package java.lang;

/**
 * @Description 这是我们自己定义的Stirng，和java官方的String同包同名
 * @Author XiaoLin
 * @Date 2021/8/28 16:14
 */
public class String {
    // 在对象初始化之前就会执行
  static {
    System.out.println("我是XiaoLin定义的String");
  }
  
}

我们再新建一个测试类

package cn.linstudy;

/**
 * @Description
 * @Author XiaoLin
 * @Date 2021/8/28 16:15
 */
public class TestString {

  public static void main(String[] args) {
    java.lang.String str = new java.lang.String();
    System.out.println("我是XiaoLin");
  }
}

    我们执行完以后，发现并没有打印我们静态代码块里面的代码，说明执行的并不是我们定义的Stirng类，而是Java官方的Stirng类。

    我们在Stirng类中写一个main方法，执行一下。

package java.lang;

/**
 * @Description 这是我们自己定义的Stirng，和java官方的String同包同名
 * @Author XiaoLin
 * @Date 2021/8/28 16:14
 */
public class String {
  static {
    System.out.println("我是XiaoLin定义的String");
  }

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello XiaoLin");
  }
}

    发现报错了，他说找不到main方法，再次说明了说明执行的并不是我们定义的Stirng类，而是Java官方的Stirng类。

2.4.3、双亲委派机制的优势

    既然JDK搞了一个双亲委派机制，那么肯定是有他独特的优势，他的优势有两点：

1. 避免类的重复加载，只要有一个类加载器加载了这个类，那么这个类就不会被其他类加载器加载，防止类被重复加载。
2. 保护程序安全，防止核心的API被篡改。我们举个例子，自定一个类，在Java.lang包下。

package java.lang;

/**
 * @Description
 * @Author XiaoLin
 * @Date 2021/8/28 16:34
 */
public class SweetCode {

  public static void main(String[] args) {
    System.out.println("Hello SweetCode");
  }
}

2.4.4、沙箱安全机制

    我们自己自定义了一个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。