JVM 类加载机制深入浅出

Bertha 。 2022-04-17 01:41 202阅读 0赞

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从类被加载到虚拟机内存中开始，到卸御出内存为止，它的整个生命周期分为7个阶段，加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸御(Unloading)。其中验证、准备、解析三个部分统称为连接。  
7个阶段发生的顺序如下：

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类的生命周期

## 1. 加载 ##

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.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

> **注意：JVM中的ClassLoader类加载器加载Class发生在此阶段**

## 2. 验证 ##

2.1 文件格式的验证

1.  主要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，如果符合则把字节流加载到方法区中进行存储。
2.  文件头、主次版本验证等等

2.2 元数据验证

主要对字节码描述的信息进行语义分析，保证其描述符合Java语言的要求。

1.  类是否有父类
2.  是否继承了不允许被继承的类（final修饰过的类）
3.  如果这个类不是抽象类，是否实现其父类或接口中所有要求实现的方法
4.  类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（如：覆盖父类final类型的字段，或者不符合个则的方法）

2.3 字节码验证

最复杂的一个阶段。主要目的是通过数据量和控制流分析，确定程序语义是合法的，符合逻辑的。  
保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的事件。

2.4 符号引用验证

符号引用中通过字符串描述的全限定名是否能找到对应的类。  
在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称所描述的方法和字段。  
符号引用中的类、字段、方法的访问性（private、protected、public、default）是否可被当前类访问。

3、准备

准备阶段正式为类变量分配内存并设置初始值阶段。  
public **static** int value=123; 初始后为 value=0;  
对于static final类型，在准备阶段会被赋予正确的值  
public **static final** value=123;初始化为 value=123;

如果是boolean值默认赋值为：false  
如果是对象引用默认赋值为：null  
...

> **注意：  
> 只设置类中的静态变量（方法区中），不包括实例变量（堆内存中），实例变量是在对象实例化的时候初始化分配值的**

4、解析

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

1.  符号引用：简单的理解就是字符串，比如引用一个类，java.util.ArrayList 这就是一个符号引用，字符串引用的对象不一定被加载。
2.  直接引用：指针或者地址偏移量。引用对象一定在内存（已经加载）。

5、初始化

1.  执行类构造器<clinit>
2.  初始化静态变量、静态块中的数据等（一个类加载器只会初始化一次）
3.  子类的<clinit>调用前保证父类的<clinit>被调用

> **注意：  
> <clinit>是线程安全的，执行<clinit>的线程需要先获取锁才能进行初始化操作，保证只有一个线程能执行<clinit>(利用此特性可以实现线程安全的懒汉单例模式)。**

## 什么是类装载器ClassLoader ##

1.  ClassLoader是一个抽象类
2.  ClassLoader的实例将读入Java字节码将类装载到JVM中
3.  ClassLoader可以定制，满足不同的字节码流获取方式
4.  ClassLoader负责类装载过程中的加载阶段。

## JVM中的类加载器 ##

1.  **启动类加载器（BootStrap ClassLoader）：**引导类装入器是用本地代码实现的类装入器，它负责将 jdk中jre/lib下面的核心类库或-Xbootclasspath选项指定的jar包加载到内存中。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。
2.  **扩展类加载器（Extension ClassLoader）：**扩展类加载器是由Sun的ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将jdk中jre/lib/ext或者由系统变量-Djava.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。
3.  **系统类加载器（System ClassLoader）：**系统类加载器是由 Sun的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径java -classpath或-Djava.class.path变量所指的目录下的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。

## 双亲委派模型 ##

下图中展示了类加载器直接的关系和双亲委派模型

![format_png 1][]

类加载器双亲委派模型

从图中我们发现除启动类加载器外，每个加载器都有父的类加载器。  
双亲委派机制：如果一个类加载器在接到加载类的请求时，它首先不会自己尝试去加载这个类，而是把这个请求任务委托给父类加载器去完成，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

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ClassLoader类关系图

从类的继承关系来看，ExtClassLoader和AppClassLoader都是继承URLClassLoader，都是ClassLoader的子类。而BootStrapClassLoader是有C写的，不再java的ClassLoader子类中。

> \*\*注意：  
> 从图中可以看到类加载器间的父子关系不是以继承的方式实现的，而是以组合关系的方式来复用父加载器的代码。  
> 如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先会把这个请求委派给父加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此。 \*\*

## 双亲委派模型的好处 ##

Java类随着加载它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。比如，Java中的Object类，它存放在rt.jar之中,无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此Object在各种类加载环境中都是同一个类。如果不采用双亲委派模型，那么由各个类加载器自己取加载的话，那么系统中会存在多种不同的Object类。

## 破坏双亲委派模型 ##

案例一

双亲委派模型的问题：顶层ClassLoader，无法加载底层ClassLoader的类。  
JDK的javax.xml.parsers包中定义了xml解析的类接口  
Service Provider Interface SPI 位于rt.jar 即接口在启动ClassLoader中。而SPI的实现类，可能由第三方提供，AppClassLoader进行加载。  
**解决思路：**可以在线程中放入底层的ClassLoader到Thread. setContextClassLoader()中，然后在顶层ClassLoader中使用Thread.getContextClassLoader()获得底层的ClassLoader进行加载第三方实现。

案例二

Tomcat中使用了自定ClassLoader，并且也破坏了双亲委托机制。  
每个应用使用WebAppClassloader进行单独加载，他首先使用WebAppClassloader进行类加载，如果加载不了再委托父加载器去加载，这样可以保证每个应用中的类不冲突。每个tomcat中可以部署多个项目，每个项目中存在很多相同的class文件（很多相同的jar包），他们加载到jvm中可以做到互不干扰。

案例三：

利用破坏双亲委派来java的**类热部署**实现（每次修改类文件，不需要重启服务）。  
因为一个Class只能被一个ClassLoader加载一次，否则会报java.lang.LinkageError。当我们想要实现代码热部署时，可以每次都new一个自定义的ClassLoader来加载新的Class文件。JSP的实现动态修改就是使用此特性实现。

## Class加密实现思路 ##

ClassLoader加载.class文件的方式不仅限于从jar包中读取，还可以从种地方读取，因为ClassLoader加载时需要的是byte\[\]数组.

> **ClassLoader加载Class文件方式：**

1.  从本地系统中直接加载
2.  通过网络下载.class文件
3.  从zip，jar等归档文件中加载.class文件
4.  从专有数据库中提取.class文件
5.  将Java源文件动态编译为.class文件

**加密实现思路：**加载Class文件的方式灵活，我们可以自定义ClassLoader，把加密后的Class文件，在加载Class前先进行解密，然后在通过ClassLoader进行加载

**概述**  
  
Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数，属性和方法等，Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能。  
  
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，这就是虚拟机的类加载机制。   
  
**什么是类的加载**  
  
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。  
  
  
**一、类的加载过程**  
  
JVM将类的加载分为3个步骤：

1、装载（Load）

2、链接（Link）

3、初始化（Initialize）

其中 链接（Link）又分3个步骤，如下图所示：

![format_png 3][]

**1) 装载：查找并加载类的二进制数据（查找和导入Class文件）**  
  
加载是类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

1、通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。

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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。  
  
加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。  
  
  
**2) 链接（**分3个步骤**）**

**1、验证**：确保被加载的类的正确性  
  
验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保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的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：  
  
**文件格式验证**：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。  
  
**元数据验证**：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。  
  
**字节码验证**：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。  
  
**符号引用验证**：确保解析动作能正确执行。  
  
验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。  
  
  
**2、准备**：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值  
  
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

1、这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。  
  
2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。  
  
假设一个类变量的定义为：public static int value = 3； 那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。  
  
**3、解析**：把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，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、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。  
**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。  
  
  
**3) 初始化：对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作**  
  
初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

①声明类变量是指定初始值。

②使用静态代码块为类变量指定初始值。  
  
  
  
**类的初始化**  
  
类什么时候才被初始化：

1）创建类的实例，也就是new一个对象

2）访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

3）调用类的静态方法

4）反射（Class.forName("com.lyj.load")）

5）初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）

6）JVM启动时标明的启动类，即文件名和类名相同的那个类 只有这6中情况才会导致类的类的初始化。

类的初始化步骤 / JVM初始化步骤：

1）如果这个类还没有被加载和链接，那先进行加载和链接

2）假如这个类存在直接父类，并且这个类还没有被初始化（注意：在一个类加载器中，类只能初始化一次），那就初始化直接的父类（不适用于接口）

3 ) 假如类中存在初始化语句（如static变量和static块），那就依次执行这些初始化语句。  
  
  
**类的加载**  
  
类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个这个类的Java.lang.Class对象，用来封装类在方法区类的对象。

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类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象。 Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。  
  
加载类的方式有以下几种：

1）从本地系统直接加载

2）通过网络下载.class文件

3）从zip，jar等归档文件中加载.class文件

4）从专有数据库中提取.class文件

5）将Java源文件动态编译为.class文件（服务器）

6）命令行启动应用时候由JVM初始化加载

7）通过Class.forName()方法动态加载

8）通过ClassLoader.loadClass()方法动态加载   
  
  
**加载器**

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

![format_png 5][]

1）**Bootstrap ClassLoader** 负责加载$JAVA\_HOME中 jre/lib/rt.jar 里所有的class或Xbootclassoath选项指定的jar包。由C++实现，不是ClassLoader子类。  
  
2）**Extension ClassLoader** 负责加载java平台中扩展功能的一些jar包，包括$JAVA\_HOME中jre/lib/\*.jar 或 -Djava.ext.dirs指定目录下的jar包。  
  
3）**App ClassLoader** 负责加载classpath中指定的jar包及 Djava.class.path 所指定目录下的类和jar包。  
  
4）**Custom ClassLoader** 通过java.lang.ClassLoader的子类自定义加载class，属于应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader。  
  
加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载，就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

**结束生命周期**

在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

1、执行了System.exit()方法

2、程序正常执行结束

3、程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

4、由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

最后：如何自定义一个自定义类加载器？继承classloader然后实现findclass即可。

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