jvm之java类加载机制和类加载器(ClassLoader)

当程序主动使用某个类时,如果该类还未被加载到内存中,则JVM会通过加载、连接、初始化3个步骤来对该类进行初始化。如果没有意外,JVM将会连续完成3个步骤,所以有时也把这个3个步骤统称为类加载或类初始化。

一、类加载过程

1.加载

加载指的是将类的class文件读入到内存,并为之创建一个java.lang.Class对象,也就是说,当程序中使用任何类时,系统都会为之建立一个java.lang.Class对象。

类的加载由类加载器完成,类加载器通常由JVM提供,这些类加载器也是前面所有程序运行的基础,JVM提供的这些类加载器通常被称为系统类加载器。除此之外,开发者可以通过继承ClassLoader基类来创建自己的类加载器。

通过使用不同的类加载器,可以从不同来源加载类的二进制数据,通常有如下几种来源。

  • 从本地文件系统加载class文件,这是前面绝大部分示例程序的类加载方式。
  • 从JAR包加载class文件,这种方式也是很常见的,前面介绍JDBC编程时用到的数据库驱动类就放在JAR文件中,JVM可以从JAR文件中直接加载该class文件。
  • 通过网络加载class文件。
  • 把一个Java源文件动态编译,并执行加载。

类加载器通常无须等到“首次使用”该类时才加载该类,Java虚拟机规范允许系统预先加载某些类。

2.链接

当类被加载之后,系统为之生成一个对应的Class对象,接着将会进入连接阶段,连接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中。类连接又可分为如下3个阶段。

1)验证:验证阶段用于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。Java是相对C语言是安全的语言,例如它有C不具有的数组越界的检查。这本身就是对自身安全的一种保护。验证阶段是Java非常重要的一个阶段,它会直接的保证应用是否会被恶意入侵的一道重要的防线,越是严谨的验证机制越安全。验证的目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求,不会危害虚拟机自身安全。其主要包括四种验证,文件格式验证,元数据验证,字节码验证,符号引用验证。

四种验证做进一步说明:

文件格式验证:主要验证字节流是否符合Class文件格式规范,并且能被当前的虚拟机加载处理。例如:主,次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内。常量池中是否有不被支持的常量类型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合类型的常量。


元数据验证:对字节码描述的信息进行语义的分析,分析是否符合java的语言语法的规范。


字节码验证:最重要的验证环节,分析数据流和控制,确定语义是合法的,符合逻辑的。主要的针对元数据验证后对方法体的验证。保证类方法在运行时不会有危害出现。


符号引用验证:主要是针对符号引用转换为直接引用的时候,是会延伸到第三解析阶段,主要去确定访问类型等涉及到引用的情况,主要是要保证引用一定会被访问到,不会出现类等无法访问的问题。


2)准备:类准备阶段负责为类的静态变量分配内存,并设置默认初始值。

3)解析:将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。说明一下:符号引用:符号引用是以一组符号来描述所引用的目标,符号可以是任何的字面形式的字面量,只要不会出现冲突能够定位到就行。布局和内存无关。直接引用:是指向目标的指针,偏移量或者能够直接定位的句柄。该引用是和内存中的布局有关的,并且一定加载进来的。

3.初始化

初始化是为类的静态变量赋予正确的初始值,准备阶段和初始化阶段看似有点矛盾,其实是不矛盾的,如果类中有语句:private static int a = 10,它的执行过程是这样的,首先字节码文件被加载到内存后,先进行链接的验证这一步骤,验证通过后准备阶段,给a分配内存,因为变量a是static的,所以此时a等于int类型的默认初始值0,即a=0,然后到解析(后面在说),到初始化这一步骤时,才把a的真正的值10赋给a,此时a=10。

二、类加载时机

创建类的实例,也就是new一个对象
访问某个类或接口的静态变量,或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射(Class.forName("com.lyj.load"))
初始化一个类的子类(会首先初始化子类的父类)
JVM启动时标明的启动类,即文件名和类名相同的那个类    
除此之外,下面几种情形需要特别指出:

对于一个final类型的静态变量,如果该变量的值在编译时就可以确定下来,那么这个变量相当于“宏变量”。Java编译器会在编译时直接把这个变量出现的地方替换成它的值,因此即使程序使用该静态变量,也不会导致该类的初始化。反之,如果final类型的静态Field的值不能在编译时确定下来,则必须等到运行时才可以确定该变量的值,如果通过该类来访问它的静态变量,则会导致该类被初始化。

三、类加载器

类加载器负责加载所有的类,其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载如JVM中,同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样,一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中,一个类用其全限定类名(包括包名和类名)作为标识;但在JVM中,一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。例如,如果在pg的包中有一个名为Person的类,被类加载器ClassLoader的实例kl负责加载,则该Person类对应的Class对象在JVM中表示为(Person.pg.kl)。这意味着两个类加载器加载的同名类:(Person.pg.kl)和(Person.pg.kl2)是不同的、它们所加载的类也是完全不同、互不兼容的。

JVM预定义有三种类加载器,当一个 JVM启动的时候,Java开始使用如下三种类加载器:

根类加载器

 1)根类加载器(bootstrap class loader):它用来加载 Java 的核心类,是用原生代码来实现的,并不继承自 java.lang.ClassLoader(负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class,由C++实现,不是ClassLoader子类)。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。

下面程序可以获得根类加载器所加载的核心类库,并会看到本机安装的Java环境变量指定的jdk中提供的核心jar包路径:

public class ClassLoaderTest {
 
	public static void main(String[] args) {
		
		URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
		for(URL url : urls){
			System.out.println(url.toExternalForm());
		}
	}
}

扩展类加载器

2)扩展类加载器(extensions class loader):它负责加载JRE的扩展目录,lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录中的JAR包的类。由Java语言实现,父类加载器为null。

系统类加载器

3)系统类加载器(system class loader):被称为系统(也称为应用)类加载器,它负责在JVM启动时加载来自Java命令的-classpath选项、java.class.path系统属性,或者CLASSPATH换将变量所指定的JAR包和类路径。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()来获取系统类加载器。如果没有特别指定,则用户自定义的类加载器都以此类加载器作为父加载器。由Java语言实现,父类加载器为ExtClassLoader。

# JVM  

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