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深入理解JVM(二，JVM初识线程上下文类加载器和java字节码）

2019-04-21 23:37 253 查看

线程上下文类加载器的引入。
最好最常见的引入：对应得数据库连接包中

Class.forName("org.postgresql.Driver").newInstance();
String url ="jdbc:postgresql://localhost/myDB"
//myDB为数据库名
String user="myuser";
String password="mypassword";
Connection conn= DriverManager.getConnection(url,user,password);

通过上面可知，这些连接方式，肯定是最初已经加载了的，显然是bootstrap加载器已经将相关类加载。因此才能初始时我们可这样直接写（反问：什么都有依据，那么你凭什么就可以直接使用？原因就在早已经加载了Connection类，这些具体的定制都是由厂商制定的，我们只是将他放在了对应的位置，加载使用）
因此引入ContextClassLoader来破坏双亲委托机制，来实现上面的SPI加载。

package com.auto.demo;

/**
* 当前类加载器（current classloader）:每个都会尝试用自己的类加载器去加载其他类
* 这就是下面是null的原因；
* ContextClassLoader（线程上下文加载器）：Thread类中的getContextClassLoader与setContextClassLoader
* 用于获取和设置上下文加载器。
* 没有setContextClassLoader进行设置，默认线程将继承其父类的线程的上下文加载器。
* java应运行时初始线程的上下文类加载器是系统类加载器。
* 线程上下文加载器的重要性：
* ①  SPI(Service Provide Interface)
* ②  父ClassLoader可以使用当前线程Thread.currentThread.getContextoader（）所指定的classloader加载的类。
* 这就改变了父ClassLoader不能使用子ClassLoader或是其他没有直接父子关系的ClassLoader加载的类的情况，
* 即是改变了双亲委托机制。
* ③  在双亲委托机制模型下，来加载器是由上至下的，即下层的类加载会委托上层进行加载。但是对于SPI来说，有些接口是java核心
* 库所提供的，而在java核心库是由启动类加载器加载的，而这些接口的实现却来自于不同的jar包（各大厂商提供），java的启动类加
* 载器是不会加载其他来源的jar包的，这样传统的双亲委托模型就无法满足SPI的要求，而通过给当前线程设置上下文类加载器
* 来实现对于接口实现类的加载。（框架开发极其常用）
* @author zhouyi
*
*/
public class MyContextTest {
public static void main(String[] args) {
System.out.println(Thread.currentThread().getContextClassLoader()); // 系统类加载器
System.out.println(Thread.class.getClassLoader()); // 是由启动类加载加载，因此是null
}
}

运行结果：

public class MyContextTest implements Runnable {

private Thread thread;

public MyContextTest() {
thread = new Thread(this); // 因为是Runnable所以必须放入线程中
thread.start();
}

@Override
public void run() {
ClassLoader clLoader = this.thread.getContextClassLoader();
this.thread.setContextClassLoader(clLoader);
System.out.println("class: " + clLoader.getClass());
System.out.println("parent: " + clLoader.getParent().getClass());
}
public static void main(String[] args) {
new MyContextTest();
}
}

运行结果：

ServiceLoader
是服务提供者加载的集合，比如加载数据库连接，建议查看源码。

package com.auto.demo;

import java.sql.Driver;
import java.util.Iterator;
import java.util.ServiceLoader;

/**
*线程上下文类加载器的一般使用模式（获取 - 使用 - 还原）
*获取：ClassLoader clLoader = this.thread.getContextClassLoader();
*使用：
*try {
* Thread.currentThread().setContextClassLoader(targetClassLoader);
* myMethod(); // 我们自己要做操作的方法
*} finally {
*  Thread.currentThread().getContextClassLoader(clLoader); // 还原
*}
*myMethod():调用了Thread.currentThread().getContextClassLoader(targetClassLoader);获取当前线程的上下文类加载器做某些事。
*
*当高层提供了统一的接口让低层实现，同时又要在高层加载（或实例化）低层的类时，
*就必须通过县城上下文类加载器来帮助高层的ClassLoader找到并加载。
* @author zhouyi
*
*/

public class MyContextTest {

public static void main(String[] args) {
ServiceLoader<Driver> loader = ServiceLoader.load(Driver.class); // 拿到数据库连接驱动
Iterator<Driver> it = loader.iterator();
while (it.hasNext()) {
Driver driver = it.next();
System.out.println("driver: " + driver + ",loader: " + driver.getClass().getClassLoader());
}
System.out.println("当前线程上下文类加载器： " + Thread.currentThread().getContextClassLoader());
System.out.println("service的类加载器： " + ServiceLoader.class.getClassLoader());
}
}

运行结果：

修改它的加载方式：（改为上层）

public class MyContextTest {

public static void main(String[] args) {
Thread.currentThread().setContextClassLoader(MyContextTest.class.getClassLoader().getParent());
ServiceLoader<Driver> loader = ServiceLoader.load(Driver.class); // 拿到数据库连接驱动
Iterator<Driver> it = loader.iterator();
while (it.hasNext()) {
Driver driver = it.next();
System.out.println("driver: " + driver + ",loader: " + driver.getClass().getClassLoader());
}
System.out.println("当前线程上下文类加载器： " + Thread.currentThread().getContextClassLoader());
System.out.println("service的类加载器： " + ServiceLoader.class.getClassLoader());
}
}

运行结果：

关于线程上下文类加载器，扩展到Servlet、tomcat和框架搭载相关的知识，有时间一定要去研究研究

接下来是java字节码（前段时间这个是写完了的，可是在提交时csdn出了bug，导致内容全清空，只好重新来过。）
字节码文件结构解析
前提准备软件：（这是IDEA可运用的jclasslib，字节码分析工具）

安装完成后，如下：

另外还需要一个字节码查看以及编辑工具：（这里如果是windows系统请用winhex,如果是mac系统请用hex_friend）只需要导入相应的.class文件即可如下：

上面的是我们程序的字节码：

package com.bytecode.stu;

public class IOStudy {
int a = 1;

public int getA() {
return a;
}

public void setA(int b) {
this.a = b;
}
}

有了这些准备，我们开始分析。
1，使用java -verbose命令分析一个字节码文件，将会分析字节码文件的魔数、版本号、常量池、类信息、类的构造方法、类中的方法信息、类变量与类成员变量等信息，如下：

2，魔数（Magic number） : 所有的,class字节码文件的前4个字节都是魔数，魔数是固定值 : CA FE BA BE(上图查看，是这个JVM才会认可，执行)
3，版本号：魔数之后的4个字节就是版本信息，次版本号是前两个字节：00 00 （Minor version），主版本号是后面2个字节：00 34（Major version）。由上面可知，34（16进制）对应的是52（10进制），即1.8.0于是去查看版本信息，结果如下：（_后的不是）
4，常量池（Constant Pool）: 紧跟版本号之后的就是常量池入口，一个java类中定义的很多的信息都是由常量池来维护和描述的，可以将常量池看作是class文件的资源仓库，比如说java类中定义的方法与变量信息，都是存储在常量池中。常量池主要存储两类常量：字面量和符号引用。字面量如文本字符串，java中声明为final的常量值等；符号引用如类和接口的全局限定名（前面反射的内容：0（default）、1（public）、2（private）、4（protected）），字段的名称和描述符，方法的名称和描述符等。

5，常量池的总体结构：java类所对应的常量池主要是由常量池数量与常量池数组（常量表）这两部分共同构成，常量池数量紧跟在主版本号后面，占据2个字节；常量池数组则紧跟在常量池数量之后，常量池数组与一般的数组不同是，常量池数组中不同的元素的类型、结构都是不同的，长度当然也不同的，但是每一个元素的第一个数据都是u1类型的，该字节是一个标志位，占据一个字符，JVM在解析常量池时，会根据这个u1类型来获取元素的具体类型，值得注意的是，常量池数组中的元素个数 = 常量池 - 1（其中0暂时不使用），目的是满足某些常量池索引值的数据在特定的情况下需要表达【不引用任何一个常量池】的含义：其根本原因在于，索引为0也是一个常量（保留常量），只不过它不位于常量表中，这个常量就对应null值；所以，常量值的索引从1，而不是0。

这里涉及了u1，那么就讲讲class字节码结构中常量池中11种数据类型的结构总表（JVM如何识别字节码，返回为对饮的class，就是按照下面的规则）
常量池结构总表

例如：

6，在JVM规范中，每个变量/字段都有相应的描述信息，描述信息主要的作用是描述字段的数据类型、方法的参数列表（包括数量、类型与顺序）与返回值，根据描述符规则，基本数据类型和代表无返回值的void类型都是用一个大写的字符来表示，对象类型则使用字符Lj加全限定名称来表示。为了压缩字节码文件的体积，对于基本数据类型，JVM都只是使用一个大写的字母来表示。如下：B - byte , C - char , D - double , F -float , I - int , J - long , S - short , Z - boolean , V - void , L - 对象全限定类型（如：Ljava/lang/String）。

7，对于数组类型来说，每个一维度使用一个前置的

[来表示，如int[] 被记录为：[I，String[][] 被记录为：[[Lj
1c13f
ava/lang/String;

8，用描述符描述方法时，按照先参数列表，后返回值的顺序来描述。参数列表按照参数的严格顺序放在一组（）之内，如方法：

String getRealnamebyIdAndNickname(int id , String name)；的描述符为：（I，Ljava/lang/String;）Ljava/lang/String

有了这些东西我们来都上面字节码：
紧跟在主版本号后面2个字节的常量池数量：00 19（10进制为24，有24个常量，根据这个去读），上面显示是25，也是和规则对一个的减一。
之后的是第一个常量。首先是描述符（第一个是u1类型）：0A（10），去查看上面的常量池结构总表是CONSTANT_Methodref_info对应两个u2，即是00 04（声明方法的类描述符索引） 00 15（指向名称及类型描述符索引）。
接下来下一个常量，首先也是描述符：09（9），去查看上面的常量池结构总表是CONSTANT_Fieldref_info，对应两个u2，即是：00 03 0016（便不再做解释，自己去对应）
等等。。。。。。。。。。。。。。直到第24个读完为止，常量池结束。

完整的java字节码结构：

Access_Flag(访问标识符)
紧跟着是访问标识符这里的并包含全，比如上面的提到的private等，但是是可以并集的。比如上面000000F0行的 0×0021是由0×0020和0×0001的并集，表示为super和public。但是这里的归类依然是不全的额。

紧接着是This Class Name和Super Class Name这两个比较简单。分别都是占两个字节，分别是：00 03和00 04

紧接着就是接口interface,也是占两个字节，即是：00 00 ,没有接口

Fields（字段表)
再就是字段表，字段表是用于描述接口和类中声明的变量。这里的字段包含了类级别的变量以及实例变量，但是不包括方法的内部声明的局部变量。
除了下面给出的，首先要给出**fields_count,**是u2类型。即是 属性的数量：00 01
字段表结构：

对应上面的字段结构表可知： 00 02（access_flags）00 05(name_index) 00 06(decrptor_index) 00 00(attributes_count)
由于attributes_count是00 00所以最后一个不会再出现。
这里补充一点：凡是有_index的都是指向常量池的对应的项（需要转成10进制）

（方法表）Methods
接下来便是方法，其实和字段表的几乎一模一样。
field_count : 00 03,三个方法。method_info : 00 01 00 07 00 08 00 01(由于最后不为0，那么就有attribute_info)

那么我们就需要了解方法的属性结构（字段表也一样的）attribute_info

即是：attribute_name_index（00 09）和attribute_length（00 00 00 38)（这个56是code的内容），info是真正的code内容。

那么我们就得先看看Code，里面是我们方法的具体信息。我们引入：

先看看Code结构：他的作用是保存该方法的结构

attribute_length ：表示attribute所包含的字节数，不包含attribute_name_index和attribute_length字段。(这里需要注意前面已经有了这两个不会重复)
max_stack : （00 02；指向常量池2）表示这个方法运行的任何时刻所能达到的操作数栈的最大深度。
mac_locals : （00 01）表示该方法执行期间创建的局部变量数目，包含用来表示传入的参数的局部变量。
code_length : ( 00 00 00 0A)表示该方法的所包含的字节码的字节数以及具体的指令码。具体的字节码即是该方法被调用时，虚拟机所执行的字节码。（注记：length都是往后数多少个字节，即是code的正真内容）
exception_table,这里存放的是处理异常的信息。

看看except_table的信息，他的组成如上表。
start_pc和end_pc表示在code数组中的从start_pc和end_pc处的指令抛出异常会有这个表象来处理。
handler_pc表示处理异常的代码块的开始处。catch_type表示湖北处理的异常类型，他指向常量池里面的一个异常类。当catch_type为0时，表示处理所有的异常。
接下来的对应最好借助工具，因为已经很难分析了。

首先，是方法，下面的助记符是可以点进去的，以后若有看不懂的，就这样区查看即可。这里介绍几种。

显然用这个工具很多东西都是一目了然，因此推荐使用这个工具去分析。但是如果你不懂其中的规则也是枉然。所以建议先是了解结构和基础，再去借助工具。

附加属性–LineNumberTable,简单来说就是Java代码对应的行号。用来还原代码的。结构如下：

实例图：start PC是字节码对应的行号，Line Number是Java代码中对应的行号。

LocalVariableTable是和他基本一样的。
终极图：

G:\ownStudy\out\production\ownStudy>cd com

G:\ownStudy\out\production\ownStudy\com>cd bytecode

G:\ownStudy\out\production\ownStudy\com\bytecode>cd stu

G:\ownStudy\out\production\ownStudy\com\bytecode\stu>javap -verbose IOStudy
警告: 二进制文件IOStudy包含com.bytecode.stu.IOStudy
Classfile /G:/ownStudy/out/production/ownStudy/com/bytecode/stu/IOStudy.class
Last modified 2019-4-27; size 483 bytes
MD5 checksum 621af6f4b7c7b6ae6f41f110dbcf73bd
Compiled from "IOStudy.java"
public class com.bytecode.stu.IOStudy
minor version: 0
major version: 52
flags: ACC_PUBLIC, ACC_SUPER
Constant pool:
#1 = Methodref          #4.#21         // java/lang/Object."<init>":()V
#2 = Fieldref           #3.#22         // com/bytecode/stu/IOStudy.a:I
#3 = Class              #23            // com/bytecode/stu/IOStudy
#4 = Class              #24            // java/lang/Object
#5 = Utf8               a
#6 = Utf8               I
#7 = Utf8               <init>
#8 = Utf8               ()V
#9 = Utf8               Code
#10 = Utf8               LineNumberTable
#11 = Utf8               LocalVariableTable
#12 = Utf8               this
#13 = Utf8               Lcom/bytecode/stu/IOStudy;
#14 = Utf8               getA
#15 = Utf8               ()I
#16 = Utf8               setA
#17 = Utf8               (I)V
#18 = Utf8               b
#19 = Utf8               SourceFile
#20 = Utf8               IOStudy.java
#21 = NameAndType        #7:#8          // "<init>":()V
#22 = NameAndType        #5:#6          // a:I
#23 = Utf8               com/bytecode/stu/IOStudy
#24 = Utf8               java/lang/Object
{
protected int a;
descriptor: I
flags: ACC_PROTECTED

public com.bytecode.stu.IOStudy();
descriptor: ()V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: iconst_1
6: putfield      #2                  // Field a:I
9: return
LineNumberTable:
line 3: 0
line 4: 4
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0      10     0  this   Lcom/bytecode/stu/IOStudy;

public int getA();
descriptor: ()I
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=1, locals=1, args_size=1
0: aload_0
1: getfield      #2                  // Field a:I
4: ireturn
LineNumberTable:
line 7: 0
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       5     0  this   Lcom/bytecode/stu/IOStudy;

public void setA(int);
descriptor: (I)V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=2, locals=2, args_size=2
0: aload_0
1: iload_1
2: putfield      #2                  // Field a:I
5: return
LineNumberTable:
line 11: 0
line 12: 5
LocalVariableTable:
Start  Length  Slot  Name   Signature
0       6     0  this   Lcom/bytecode/stu/IOStudy;
0       6     1     b   I
}
SourceFile: "IOStudy.java"

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