【JVM】整体结构（一）：类加载子系统

逃离我推掉我的手 2022-10-30 10:27 169阅读 0赞

Java 虚拟机（java virtual machine，JVM)，一种能够运行 Java 自己 Emma 的虚拟机。作为一种编程语言的虚拟机，实际上不只是专用于 Java 语言，只要生成的编译文件匹配JVM对加载编译文件的格式要求，任何语言都可以由 JVM 编译运行。比如 kotlin、scala等。JVM有很多，不只是Hotspot，还有Jrockit、J9等等。

JVM主要由三个主要的子系统构成：类加载子系统，运行时数据区（内存结构），执行引擎。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

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本篇我们先来看类加载子系统。

Java 之所以可以“一次编译，到处运行”，一是因为 JVM 针对各种操作系统、平台都进行了定制环境（JRE)；二是因为无论在什么平台，都可以编译生成固定格式的字节码（.class文件）供JVM使用。

所以，在看类加载子系统之前，我们有必要了解先了解一下 class 字节码的结构，具体请参考我的[这篇文章][Link 1]。

## 1.类的生命周期 ##

类的生命周期如下图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

1）加载：查找和导入class文件，加载过程如下：

1.  通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流，并通过IO字节流读入
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，作为对方法区中这些数据的访问入口

> 注：什么情况下虚拟机需要开始加载一个类呢？虚拟机规范中并没有对此进行强制约束，这点可以交给虚拟机的具体实现来自由把握。但是，类加载器不会一次将所有class都装入，而是按需装入，即用到时再装入

2）连接：分为以下三步

1.  **校验**：检验字节码文件的正确性
2.  **准备**：给类变量分配内存，并赋予默认值（0，null）
3.  **解析**：装入当前类所引用的其他类，将符号引用替换为直接引用，放入运行时常量池

> 注：在类加载之后，就会将class常量池中存放的符号引用转存到运行时常量池中

3）初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块，创建 Class 对象（实际是执行字节码文件中的`<cinit>`方法，即到现在才开始执行自己代码）

关于类加载后的初始化时机，在虚拟机规范中是有严格规定的：

*  虚拟机启动时，用于需要指定一个包含 main() 方法的主类，虚拟机会先初始化这个主类。
 *  当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
 *  遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先对其进行初始化。生成这四条指令的最常见的Java代码场景是：
    
     *  使用new关键字实例化对象的时候；
     *  读取或设置一个类的静态字段（被final修饰，已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候；
     *  调用一个类的静态方法的时候
 *  使用 java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化（如，Class.forName)
 *  当使用 jdk1.7 动态语言支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果REF\_getstatic,REF\_putstatic,REF\_invokeStatic的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行初始化，则需要先出触发其初始化

> 注：这 5 种场景中的行为称为对一个类进行主动引用，除此之外，其它所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用
> 
>  *  通过子类引用父类的静态字段，不会导致子类初始化
>  *  通过数组定义来引用类，不会触发此类的初始化
>  *  常量在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化

4）使用：instanceKlass –*`分配内存`*–*`创建`*–*`初始化`*–> instanceOopDesc（1->N)

5）卸载：将不用的 Class 对象删除，将对应 InstanceKlass 对象删除

## 2.类装载器 ClassLoader ##

在装载(Load)阶段，其中第(1)步:通过类的全限定名获取其定义的二进制字节流，需要借助类装载器完成，顾名思义，就是用来装载Class文件的。

1）启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

*  负责加载 JRE 的核心类库，如 JRE 下的 rt.jar/charset.jar等
 *  注：这里加载 JRE lib 是因为 JRE 是运行环境；一个 jar 包由一个或多个 class 文件组成

2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）

*  负责加载 jre 扩展目录 ext 中的 jar 包

3）系统类加载器（App ClassLoader）

*  加载 classpath 路径下的类包
 *  注：classpath是存放用户自定义类.class文件的地方，一般为classes目录

4）用户自定义加载器（Custom ClassLoader）

*  负载加载用户自定义目录下的类包
 *  注：应用程序根据自身需要自定义的ClassLoader，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

## 3.类加载机制 ##

1）全盘负责委托机制

当一个 ClassLoader 加载一个类时，除非显式的使用另一个 ClassLoader，该类所依赖和引用的类也由这个 ClassLoader 载入。即一般情况下都是依赖main的加载器（APPClassLoader）

2）双亲委派机制

指先委托父类加载器寻找目标类，在找不到的情况下再从自己的路径中查找并载入目标类

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

*  优点：Java类随着加载它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系（[这篇博客][Link 2]有张图画的不错）
    
     *  防止重复加载同一个.class。通过委托去向上面问一问，加载过了，就不用再加载一遍。保证数据安全
     *  防止核心类被篡改（沙箱安全机制）。通过委托方式，不会去篡改核心.class，即使篡改也不会去加载，即使加载也不会是同一个.class对象了。不同的加载器加载同一个.class也不是同一个Class对象。这样保证了class执行安全
 *  破坏：可以继承ClassLoader类，然后重写其中的loadClass方法来打破双亲委派。下面放两个链接
    
     *  [自定义ClassLoader并重写findClass方法][ClassLoader_findClass]
     *  [sqlDriver打破双亲委派示例][sqlDriver]

> 关于运行时数据前参考[下一篇文章][Link 3]…

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[Link 1]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/109209730
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzkzNTkyNw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]: /images/20221024/5cdbea1a9e994045b8b1ed12963075d1.png
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[Link 2]: https://www.jianshu.com/p/1e4011617650
[ClassLoader_findClass]: https://blog.csdn.net/zhouxcwork/article/details/81566636?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-OPENSEARCH-4&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-OPENSEARCH-4
[sqlDriver]: https://blog.csdn.net/cy973071263/article/details/104129163?depth_1-utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-OPENSEARCH-1&utm_source=distribute.pc_relevant.none-task-blog-OPENSEARCH-1
[Link 3]: https://blog.csdn.net/weixin_43935927/article/details/109210130