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Java虚拟机类加载机制

2018-03-07 18:22 363 查看
类从被加载到虚拟机内存开始,到卸载出内存为止,它的整个生命周期包括:加载,验证,准备,解析,初始化,使用和卸载7个阶段。其中验证、准备、解析3个部分统称为连接,这7个阶段的发生顺序如图:



加载

这个流程中的加载是
类加载机制中的一个阶段
,这两个概念不要混淆,这个阶段需要完成的事情有:

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java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为访问方法区中这些数据的入口。

由于第一点没有指明从哪里获取以及怎样获取类的二进制字节流,所以这一块区域留给我开发者很大的发挥空间。这个我在后面的类加载器中在进行介绍。

验证

这一阶段的主要目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息是否符合当前虚拟机的要求,并且不会危害虚拟机自身的安全。(由于Class文件不都是从Java源码编译而来的,可以使用任意途径产生),如果输入的字节流Class 文件的约束,虚拟机就应抛出一个java.lang.VerifyError异常或其子类异常。验证包括:文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段,即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。注意这里所说的初始值概念,比如一个类变量定义为:

public static int v = 8080;


实际上变量v在准备阶段过后的初始值为0而不是8080,将v赋值为8080的putstatic指令是程序被编译后,存放于类构造器方法之中,这里我们后面会解释。

但是注意如果声明为:

public static final int v = 8080;


在编译阶段会为v生成ConstantValue属性,在准备阶段虚拟机会根据ConstantValue属性将v赋值为8080。

解析

解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是class文件中的:

CONSTANT_Class_info

CONSTANT_Field_info

CONSTANT_Method_info

等类型的常量。

下面我们解释一下符号引用和直接引用的概念:

符号引用与虚拟机实现的布局无关,引用的目标并不一定要已经加载到内存中。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。

4000
直接引用可以是指向目标的指针,相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用,那引用的目标必定已经在内存中存在。

初始化

初始化阶段是类加载最后一个阶段,前面的类加载阶段之后,除了在加载阶段可以自定义类加载器以外,其它操作都由JVM主导。到了初始阶段,才开始真正执行类中定义的Java程序代码。

初始化阶段是执行类构造器方法的过程。方法是由编译器自动收集类中的
类变量的赋值操作
静态语句块
中的语句合并而成的。虚拟机会保证方法执行之前,父类的方法已经执行完毕。p.s: 如果一个类中没有对静态变量赋值也没有静态语句块,那么编译器可以不为这个类生成()方法。

注意以下几种情况不会执行类初始化

通过子类引用父类的静态字段,只会触发父类的初始化,而不会触发子类的初始化。

定义对象数组,不会触发该类的初始化。

常量在编译期间会存入调用类的常量池中,本质上并没有直接引用定义常量的类,不会触发定义常量所在的类。

通过类名获取Class对象,不会触发类的初始化。

通过Class.forName加载指定类时,如果指定参数initialize为false时,也不会触发类初始化,其实这个参数是告诉虚拟机,是否要对类进行初始化。

通过ClassLoader默认的loadClass方法,也不会触发初始化动作。

类加载器:

1.引导类加载器(bootstrap class loader):它用来加载
Java 的核心库
,是用原生代码来实现的,并不继承自 java.lang.ClassLoader。它负责将
<Java_Runtime_Home>/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(extensions class loader):该类加载器在此目录里面查找并加载 Java 类。扩展类加载器是由Sun的 ExtClassLoader(sun.misc.Launcher$ExtClassLoader)实现的。它用来
加载 Java 的扩展库
。Java 虚拟机的实现会提供一个扩展库目录。它负责将<
Java_Runtime_Home >/lib/ext
或者由
系统变量-Djava.ext.dirs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 class loader):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
-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。一般来说,Java 应用的类都是由它来完成加载的。可以通过 ClassLoader.getSystemClassLoader()来获取它

这些类加载器之间的关系,称为类加载器的双亲委派模型:





在这里,需要着重说明的是,JVM在加载类时默认采用的是双亲委派机制。通俗的讲,就是某个特定的类加载器在接到加载类的请求时,首先将加载任务
委托给父加载器
依次递归
,如果父加载器可以完成类加载任务,就成功返回;只有父加载器无法完成此加载任务时,才自己去加载。

好处:java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类java.lang.Object,它存放在rt.jar中,无论哪个类加载器要加载这个类,最终都会委派给启动类加载器进行加载,因此Object类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反,如果用户自己写了一个名为java.lang.Object的类,并放在程序的Classpath中,那系统中将会出现多个不同的Object类,java类型体系中最基础的行为也无法保证,应用程序也会变得一片混乱。

接下来看看ClassLoader的源码实现:

public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {
return loadClass(name, false);
}

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
// 首先判断该类型是否已经被加载
Class c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
//如果没有被加载,就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
try {
if (parent != null) {
//如果存在父类加载器,就委派给父类加载器加载
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//如果不存在父类加载器,就检查是否是由启动类加载器加载的类,通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
c = findBootstrapClass0(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// 如果父类加载器和启动类加载器都不能完成加载任务,才调用自身的加载功能
c = findClass(name);
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}


最后来说一下自定义加载器:

网上的大部分自定义类加载器文章,几乎都是贴一段实现代码,然后分析一两句自定义ClassLoader的原理。但是我觉得首先得把为什么需要自定义加载器这个问题搞清楚,因为如果不明白它的作用的情况下,还要去学习它显然是很让人困惑的。

首先介绍自定义类的应用场景

(1)加密:Java代码可以轻易的被反编译,如果你需要把自己的代码进行加密以防止反编译,可以先将编译后的代码用某种加密算法加密,类加密后就不能再用Java的ClassLoader去加载类了,这时就需要自定义ClassLoader在加载类的时候先解密类,然后再加载。

(2)从非标准的来源加载代码:如果你的字节码是放在数据库、甚至是在云端,就可以自定义类加载器,从指定的来源加载类。

(3)以上两种情况在实际中的综合运用:比如你的应用需要通过网络来传输 Java 类的字节码,为了安全性,这些字节码经过了加密处理。这个时候你就需要自定义类加载器来从某个网络地址上读取加密后的字节代码,接着进行解密和验证,最后定义出在Java虚拟机中运行的类。

自定义一个类加载器,需要
继承ClassLoader类
,并
实现findClass方法
。其中defineClass方法可以把二进制流字节组成的文件转换为一个java.lang.Class(只要二进制字节流的内容符合Class文件规范)

import java.io.ByteArrayOutputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.Channels;
import java.nio.channels.FileChannel;
import java.nio.channels.WritableByteChannel;

public class MyClassLoader extends ClassLoader
{
public MyClassLoader()
{

}

public MyClassLoader(ClassLoader parent)
{
super(parent);
}

protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
{
File file = new File("D:/People.class");
try{
byte[] bytes = getClassBytes(file);
//defineClass方法可以把二进制流字节组成的文件转换为一个java.lang.Class
Class<?> c = this.defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
return c;
}
catch (Exception e)
{
e.printStackTrace();
}

return super.findClass(name);
}

private byte[] getClassBytes(File file) throws Exception
{
// 这里要读入.class的字节,因此要使用字节流
FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
FileChannel fc = fis.getChannel();
ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
WritableByteChannel wbc = Channels.newChannel(baos);
ByteBuffer by = ByteBuffer.allocate(1024);

while (true){
int i = fc.read(by);
if (i == 0 || i == -1)
break;
by.flip();
wbc.write(by);
by.clear();
}
fis.close();
return baos.toByteArray();
}
}

//主函数中
MyClassLoader mcl = new MyClassLoader();
Class<?> clazz = Class.forName("People", true, mcl);
Object obj = clazz.newInstance();

System.out.println(obj);
System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());//打印出我们的自定义类加载器
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标签:  Java 类加载机制