详细分析JVM类加载机制

详细分析JVM类加载机制

目录前言1. jvm 的组成2. 类加载1. 加载  2. 链接3. 初始化3. 类加载器引导类加载器(启动类加载器)扩展类加载器应用程序类加载器4. 双亲委派机制5. 类的主动/被动使用结语

前言

ladies and gentleman , 你们好 ,我是羡羡 , 这节我们进入jvm的学习 , 我们知道 , jvm是java虚拟机, java代码的执行与 jvm 息息相关, 接下来我们来依次介绍 , 首先这节先来介绍 jvm 中的类加载部分

1. jvm 的组成

jvm组成可分为这四个部分

1.类加载器（ClassLoader）

2.运行时数据区（Runtime Data Area）

3.执行引擎（ExecutionEngine）

4.本地库接口（Native Interface）

那么一个程序在 jvm 中的运行过程是怎样的呢?

java代码首先被编译成字节码文件(Class文件),  通过不同操作系统上的 jvm 来加载解释 , 这个过程首先需要类加载器加载class文件 , 然后进行字节码校验 , 校验结束通过后通过jvm解释器翻译成机器码交给操作系统执行

程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class 文件），jvm 首先需要把字节码通一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中的运行时数据区（Runtime DataArea） ，而字节码文件是 jvm 的一套指 令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine） 将字节码翻译成底层系统指令再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这 4 个主要组成部分的职责与功能

jvm整体结构如下图

可能说到这里 , 初学的同学会有点懵 , 不过不用担心, 上图中的各个组成部分后面都会一一解释

2. 类加载

通过上面 jvm的运行过程可知 , 类加载就是读取 class文件的过程 , 这期间需要用到类加载器 , 类加载器只负责加载 , 至于如何执行 , 则由执行引擎决定

类加载 又分为以下几个模块

类加载器加载class文件到 jvm中 , 被称为DNA元数据模板 , jvm通过模板来创建实例 , 类加载器在此过程相当于担任了快递员的角色

那么类加载的过程是怎样的呢 ?

可以看到 , 分为三个过程 : 加载, 链接 ,初始化

1. 加载

1. 通过类名(地址)获取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换为方法区(元空间)的运行时结构.

3. 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象,作为这个类的各种数据的访问入口.

顾名思义 , 加载就是把类中的信息加载进 jvm 中

2. 链接

链接又分为 3 个过程 : 验证, 准备 ,解析

(1) . 验证

检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致

验证文件格式是否一致: class 文件在文件开头有特定的文件标识(字节码文件都以 CA FE BA BE 标识开头);主,次版本号是否在当前 java 虚拟机接收范围内

元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析,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;是否继承浏览不允许被继承的类(final 修饰的类)

验证过程主要是看是否符合java语言的规范

(2) . 准备

准备：准备阶段则负责为类的静态属性分配内存，并设置默认初始值(int为0)

此过程不包含用 final 修饰的 static 常量(静态常量),在编译时进行初始化.

//准备阶段值为0

public static int value = 123；

//准备阶段值为123

public static final int value = 123;

(3) .解析

将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用（符号引用是 Class 文件的逻辑符号，直接引用指向的方法区中某一个地址）

将符号引用替换成直接引用, 这句话怎么理解呢 ? 这里来举个例子

public void method1(){

method2();

}

在 方法1 中调用 方法2 , 我们这样来写代码的时候, 这就只是符号引用 , 而当这段程序被加载进 jvm解析的时候 符号引用就会变成直接引用, 也就是指明此处真正的引用地址

3. 初始化

在谈类的初始化过程之前, 先来考虑 , 类什么时候会被初始化?

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(“”)）

5）初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）

初始化类的过程也是为类中成员赋值的过程 , 在链接过程中的准备过程中被static修饰的变量是赋了默认值(int型为0), 而在初始化过程中才会赋予我们赋的值

我们BAZeOe常说 , 用 static 修饰的变量, 方法 , 代码块是跟类直接打交道的 , 我们说加载类的时候, 使用static修饰的成员也会被加载 , 此过程也是在类的初始化中完成

那么在初始化过程中, 赋值顺序是怎样的呢?

如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行。 如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类。

顺序是：父类 static –> 子类 static –> 父类构造方法- -> 子类构造方法

下面代码 num 的值变化

3. 类加载器

从开发人员的角度上来讲, 类加载器可分为3类 : 引导类加载器(启动类加载器), 扩展类加载器 , 应用程序类加载器

引导类加载器(启动类加载器)

这个类加载器使用 C/C++语言实现,嵌套在 JVM 内部.它用来加载 java 核心类库.

并不继承于java.lang.ClassLoader , 没有父加载器 , 负责加载扩展类加载器和应用程序类加载器 , 并为它们指定父类加载器

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

引导类加载器作为顶级的类加载器, 非java语言实现 , 所以和java中其他类加载器也不存在继承关系等

扩展类加载器

Java 语言编写的,由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现. 派生于 ClassLoader 类.

负责从 java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库,或从 JDK 系统安装目录jre/lib/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

应用程序类加载器

Java 语言编写的,由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现. 派生于 ClassLoader 类.      加载我们自己定义的类,用于加载用户类路径(classpath)上所有的类.      该类加载器是程序中默认的类加载器.

我们自己写的类是由应用程序类加载器加载的, 类加载器结构示例如下

//获取应用程序类加载器 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

System.out.println(classLoader);

//获得父类加载器 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@74a14482

System.out.println(classLoader.getParent());

//扩展类加载器上一级是引导类加载器,不是java实现,为null

System.out.println(classLoader.getParent().getParent());

//拿到String类的类加载器,结果为null

//可见,String类为引导类加载器加载

ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();

System.out.println(classLoader1);

另外还有一种叫做用户自定义类加载器 , 例如 tomcat

4. 双亲委派机制

什么是双亲委派机制呢?

Java 虚拟机对 class 文件采用的是按需加载的方式,也就是说当需要该类时才会 将它的class 文件加载到内存中生成 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.

就是说呢, 如果类加载器接收到了加载请求, 并不会去立即加载这个类, 而是把请求交给它的上一级加载器去加载 , 上一级没有则继续往上找 , 直到顶级的类加载器(引导类加载器)也无法加载时, 开始往下找 , 如果有一级加载成功则返回, 最终加载器都无法加载时, 就会抛出ClassNotFoundException异常

那么为什么要这样去做呢? 试想, 我们自己创建一个java.lang.String类

package java.lang;

public class String {

public String(){

System.out.println("自己的String");

}

}

建立一个测试类

public class TestString {

public static void main(String[] args) {

new String();

}

}

试想 , "自己的String" 这句话会被输出吗 ? 答案肯定是不会

因为加载类的时候会先往上走, 此时走到了引导类加载器, 引导类加载器发现此类没有被加载,并且自己可以加载, 那么java.lang.String 就会被加载了, 此时就会直接返回

那么双亲委派机制出现的原因就显而易见了

安全，可避免用户自己编写的类动态替换 Java 的核心类，如 java.lang.String , 避免全限定命名的类重复加载(使用了 findLoadClass()判断当前类是否已加载)

5. 类的主动/被动使用

JVM 规定,每个类或者接口被首次主动使用时才对其进行初始化,有主动使用,自然就有被动使用.那么什么时候类被主动使用呢?

通过new关键字被导致类的初始化,这是大家经常使用的初始化一个类的方式,他肯定会导致类的加载并且初始化访问类的静态变量,包括读取和更新访问类的静态方法对某个类进行反射操作,会导致类的初始化初始化子类会导致父类的的初始化执行该类的 main 函数

除了上面的几种主动使用其余就是被动使用了

1.引用该类的静态常量,注意是常量,不会导致初始化,但是也有意外,这里的常量是指已经指定字面量的常量,对于那些需要一些计算才能得出结果的常量就会导致初始化,比如:

public final static int NUMBER = 5 ; //不会导致类初始化,被动使用 public final static int RANDOM = new Random().nextInt() ; //会导致类的初始化,主动使用

2.构造某个类的数组时不会导致该类的初始化

Student[] students = new Student[10]

主动使用和被动使用的区别在于类是否会被初始化.

结语

到此关于 jvm 类加载这一章就说完了 , 感谢您的阅读 , 后续将会进行 jvm 中运行时数据区的讲解 , 感谢您的支持 ,谢谢 !!!

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