类加载器子系统

港控/mmm° 2022-09-09 00:29 157阅读 0赞

# 内存结构概述 #

简化图

![image-20210825164827598][]

详细图

![img][]

## 类加载子系统的作用 ##

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,至于它是否可以运行,则由ExecutionEngine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)

## 类加载器ClassLoader角色 ##

![image-20210825190744333][]

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。

### 类的加载过程 ###

![image-20210825191323206][]首先将Class文件加载到JVM中，加载的实现需要使用类加载器子系统Class Loader

类的加载过程又分为三个环节loading加载、linking链接、Initiazation初始化。

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-19:17 * @description: */
    public class HelloLoader { 
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println("HelloLoader");
            System.out.println("被ClassLoader加载");
        }
    }

![image-20210825191405326][]

#### loading加载 ####

将Class文件加载需要用到类加载器，类加载器分为BootStrap ClassLoader引导类加载器、Extension 扩展类加载器ClassLoader、Application ClassLoader应用类加载器（也有叫做System ClassLoader系统类加载器），当然还有自定义的类加载器。

**步骤：**

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

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: Weh 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

#### linking连接 ####

链接又分为Verify验证、Prepare准备、Resolve解析

**验证(Verify) :**

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。·

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。

![image-20210825194226198][]

使用BinaryViewer打开之前运行生成的一个.class文件，不合法会报一个Verify error

也可以使用idea插件BinEd

![image-20210825194316775][]

Java虚拟机能识别的有效起始值都是CA FE BA BE

**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,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。

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-19:46 * @description: */
    public class HelloApp { 
        private static int a = 1;
    
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(a);
        }
    }

声明了一个类变量a，并赋值1。

在准备阶段a的值只是做了默认初始值0，在Initiazation初始化阶段才会赋值为1。

**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

运行HelloApp 并执行反编译

E:\workspace\JVMDemo\target\classes\com\dongguo\jvm02>javap -v HelloApp.class

![image-20210825195547647][]

需要加载很多类。在解析阶段将这些符号引用转换为直接引用

#### Initiazation初始化 ####

**初始化阶段就是执行类构造器方法 ()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:构造器是虚拟机视角下的 ()

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。

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-20:01 * @description: */
    public class ClassInitTest { 
        private static int num = 1;
    
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(ClassInitTest.num);
        }
    }

运行并使用jclasslib,这里我是在idea下载的插件

点击编译后的class文件，选择View

![image-20210825232550065][]

![image-20210825232632164][]

在方法中，有一个clinit方法

![image-20210825233423402][]

值为

![image-20210825233500991][]

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-20:01 * @description: */
    public class ClassInitTest { 
        private static int num = 1;
        //新增静态代码块并重新赋值
        static { 
            num = 2;
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(ClassInitTest.num);
        }
    }

运行后重新查看

![image-20210825234007768][]

开始赋值为1，接着又赋值为2，然后返回

任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器。要么是默认的，要么是自定义声明的

对应到字节码中就是init方法

![2436b3f9afae40f56496a14c81b06816.png][]

手动声明一个类的构造器

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-19:46 * @description: */
    public class HelloApp { 
        private static int a = 1;
    
        public HelloApp() { 
            a = 10;
            int d = 20;
        }
    
        public static void main(String[] args) { 
            int b = 2;
         // System.out.println(a);
        }
    }

编译后查看

![image-20210826000910921][]

**构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。**

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-20:01 * @description: */
    public class ClassInitTest { 
        private static int num = 1;
        //新增静态代码块并重新赋值
        static { 
            num = 2;
            number = 20;
        }
        private static int number = 10;
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(ClassInitTest.num);
            System.out.println(ClassInitTest.number);
        }
    }
    运行结果：
    2
    10

执行结果num在链接的准备阶段进行默认初始化设置为0，按照顺序执行num= 1，num=2.

number在链接的准备阶段进行默认初始化设置为0。按照顺序执行number= 20，number=10。

![image-20210825234908490][]

还有一点需要注意：

![image-20210825235135385][]

声明的变量在静态代码块后面，只能赋值不能调用 。会报非法的前项引用。

如果没有静态变量

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/25 0025-19:46 * @description: */
    public class HelloApp { 
        private /*static*/ int a = 1;
    
        public static void main(String[] args) { 
            int b = 2;
         // System.out.println(a);
        }
    }

查看到是不存在clinit方法的

![image-20210825235816293][]

添加静态变量再次编译后查看

![image-20210826000038750][]

**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。**

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/26 0026-0:11 * @description: */
    public class ClientTest1 { 
        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) { 
            System.out.println(Son.B);
        }
    }
    运行结果：
    2

![image-20210826072212333][]

**虚拟机必须保证一个类的 ()方法在多线程下被同步加锁。**

package com.dongguo.jvm02;
    
    /** * @author Dongguo * @date 2021/8/26 0026-7:24 * @description: */
    public class DeadThreadDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            Runnable r = () -> { 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
                DeadThread deadThread = new DeadThread();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
            };
            Thread threadA = new Thread(r, "ThreadA");
            Thread threadB = new Thread(r, "ThreadB");
            threadA.start();
            threadB.start();
        }
    }
    
    class DeadThread { 
        static { 
            if (true) { 
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前了");
                while (true){ 
                    //
                }
            }
        }
    }

两个线程都要去初始化DeadThread，但是这个类的静态代码块只能被初始化一次，ThreadB初始化DeadThread阻塞，ThreadA就无法进行初始化DeadThread

![image-20210826073110677][]

## 扩展： ##

### 运行时数据区 ###

PC Registers 程序计数器

每一个线程都有一份程序计数器

Stack Area栈

每个线程都有一个栈，栈是由一个个栈帧组成

Native Method Stack本地方法栈

调用本地方法

Heap Area堆

存放对象和数组

Method Area

存放类的信息

### 执行引擎 ###

Interpreter解释器

JIT Compiler及时编译器

Garbage Collection GC垃圾回收器

[image-20210825164827598]: /images/20220829/1cb31adb02504e0391937d55b92ca233.png
[img]: /images/20220829/c979b73c65254b8db5f555d9ebffd106.png
[image-20210825190744333]: /images/20220829/5b1d952db70e432586530ebfb115ccb9.png
[image-20210825191323206]: /images/20220829/eca42d9e5911460ebcfce8bcc18cddca.png
[image-20210825191405326]: /images/20220829/0a938ed37dd0437bbe3b212b0eb07eb1.png
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[image-20210825195547647]: /images/20220829/32ea0f6e26f6471a99c1ba5cf2f5f553.png
[image-20210825232550065]: /images/20220829/f49e5fb3f075425b8dc21a6adf8416f8.png
[image-20210825232632164]: /images/20220829/bf309c6e3e8f4c759e5d28ca4563486d.png
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[image-20210825233500991]: /images/20220829/27bc3435dd2c4afead5006adcef736aa.png
[image-20210825234007768]: /images/20220829/d45b8f9f5dbc46cc925f5192284a4535.png
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[image-20210825235816293]: /images/20220829/a4ba5b2477cb41f4b35d87ceedf1db17.png
[image-20210826000038750]: /images/20220829/ae5a38b587b847088799ba7aff7974c2.png
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