JVM内存与垃圾回收-2-类加载器子系统

目录

• 类加载器子系统整体结构
• 类加载过程
• • 加载
  • • 加载过程
    • 类加载器
    • • 引导类加载器
      • 扩展类加载器
      • 应用类加载器
      • 自定义类加载器
      • 线程上下文类加载器
      • JVM类加载双亲委托机制
      • JVM类加载双亲委托机制+线程上下文类加载器
      • Tomcat类加载机制
  • 链接
  • • 验证
    • 准备
    • 解析
  • 初始化
  • • 初始化过程
    • 类的初始化时机
• class对象同类判断
• 同类同类加载器
• 作者声明

类加载器子系统整体结构

• 输入为.class文件
• 输出到Runtime-运行时数据区中
• 对.class文件进行加载》链接（验证-准备-解析）》初始化
• 类加载子系统只负责加载.class文件到运行时数据区中，不负责编译检查和运行检查
• 编译时检查有javac（前端编译器）决定；运行时检查执行引擎中解释器和JIT（即时编译器）决定

类加载过程

• 双亲委托机制
• 其它机制

加载 加载过程

过程：

1. 判断：加载前先判断是否已经加载过这个类了
2. 获取.class文件：通过类的全限定名获取此类的二进制字节流
3. 生成Class对象：在运行时数据区下的方法区中生成java.lang.Class对象，作为类信息的访问入口
   具体方法：输入为类的全限定名，输出为Class对象

//Class loadClass(String name)
public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    
}
//Class findClass(String name)
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

}

//Class defineClass(String name)
protected final Class defineClass(String name, java.nio.ByteBuffer b,ProtectionDomain protectionDomain) throws ClassFormatError{

}

类加载方式-.class文件加载方式

• 本机获取加载
• 网络获取加载
• zip包中获取加载（jar和war格式是zip格式）
• 加密文件中获取加载（防止.class文件被反编译）
• 动态生成加载（动态代理）
• 其它文件或数据库中获取加载（JSP应用）

类加载器

JVM类加载器

• BootStrap ClassLoader（引导类加载器）
• Extension ClassLoader（扩展类加载器）
• Application ClassLoader（应用类加载器）
  线程上下文类加载器
• 一般是Application ClassLoader（应用类加载器）

引导类加载器

BootStrap ClassLoader（引导类加载器）

• 用来加载JVM自身所需要的类
• 加载扩展类加载器和应用类加载器，并指定为它们的父类加载器
• C/C++语言编写实现
• 不继承java.lang.ClassLoader
• 用来加载java核心库，提供了JVM自身所需要的类
  • JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar
  • resource.jar
  • sun.boot.class.path路径下的内容
• 为了安全，它只加载包名为java, javax, sun等开头的类

扩展类加载器

Extension ClassLoader（扩展类加载器）

• 用来加载扩展库
• 向上委托BootStrap ClassLoader（引导类加载器）
• java语言编写实现
• 继承java.lang.ClassLoader
• 加载位置
  • jre/lib/ext下加载类库
  • java.ext.dirs系统属性指定路径下的类

应用类加载器

Application ClassLoader（应用类加载器）

• 用来加载应用程序
• 程序中默认的类加载器
• 向上委托Extension ClassLoader（扩展类加载器）
• java语言编写实现
• 继承java.lang.ClassLoader
• 加载位置
  • 加载环境变量classpath路径下的类
  • java.class.path系统属性指定路径下的类

自定义类加载器

原因

• 隔离加载类：引入多个框架依赖的类，路径相同类名也相同，类的内容不同
• 修改类加载方式：启动类加载器是一定会调用的，JVM用户自定义类加载器可以调整
• 扩展加载源：网络中*.class文件、DB中*.class文件
• 防止源码泄露：加密后的字节码文件，自定义累加器解密后运行

步骤

• extends Classloader》重写findClass()方法 （findClass()方法中需要有获取字节码流的过程）
• 或extends URLClassloader类，不需要自己编写findClass()方法

方法

• 输入为类的全限定名，输出为Class对象

//Class loadClass(String name)
public Class loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    
}
//Class findClass(String name)
protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

}

//Class defineClass(String name)
protected final Class defineClass(String name, java.nio.ByteBuffer b,ProtectionDomain protectionDomain) throws ClassFormatError{

}

线程上下文类加载器

• 出现原因
  • 如果基础类要调用用户代码
  • 需要父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作
  • JDBC标准：JDBC接口由java团队实现；JDBC实现由不同厂商负责
• 设置
  • 这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoaser()方法进行设置，
  • 如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，
  • 如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。
• 应用场景
  • Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等
• 结果
  • 在一定程度上打破了双亲委托机制

JVM类加载双亲委托机制

过程

1. 类加载器收到类加载请求，先交由直接双亲加载器加载
2. 双亲加载器收到委托类加载请求，先交由直接双亲加载器加载，最终到达顶层的BootStrap ClassLoader（引导类加载器）
3. 如果双亲类加载器能够完成类加载任务则成功返回，不能完成类加载任务则返还子加载器尝试加载，子加载器也不能加载则抛出异常
   注意

• 双亲委托不是继承
• 扩展类加载器没有继承引导类加载器而是继承ClassLoader
• 应用类加载器没有继承扩展类加载器而是继承ClassLoader
• 引导类加载器使用C语言/C++语言编写没有继承ClassLoader

JVM类加载双亲委托机制+线程上下文类加载器

• SPI接口由引导类加载器加载
• SPI接口实现由线程上下文类加载器（默认是App Class Loader）加载
• SPI接口调用SPI接口实现
• 举例：
  • jdbc接口是SPI接口，jdbc.jar是SPI接口实现
  • Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等

Tomcat类加载机制

知识基础

• jsp文件本质是servlet，servlet就是一个java类
• jvm类加载器通过类的全类名判断是否已经加载过该类
• 导致问题1：相同类库不同版本无法区分
• 导致问题2：jsp文件修改后由于全类名未变不会重新加载jsp文件

Tomcat（web容器）需要解决的问题

• 自身依赖问题：
  • web容器本身有依赖的类库，不能与web应用程序依赖的类库混淆。
• 版本问题：
  • 相同版本依赖相互共享：不同web应用程序依赖同一个第三方类库的相同同版本，保证相同同版本依赖相互共享。
  • 不同版本依赖相互隔离：不同web应用程序依赖同一个第三方类库的不同版本，保证不同版本依赖相互隔离。
• jsp热修改问题：
  • web容器（tomcat）jsp修改后不用重启web容器（tomcat）问题

Tomcat（web容器）解决问题的类加载器

自身依赖问题

• 通过Catalina类加载器（Catalina ClassLoader）加载Tomcat需要的依赖类库
  相同版本依赖相互共享：
• 通过Shared类加载器（Shared ClassLoader）加载web应用共享的依赖类库
  不同版本依赖相互隔离：
• 每个web应用都有自己的WebApp类加载器（WebApp ClassLoader）
  jsp热修改问题
• jsp文件本质是servlet，servlet就是一个java类
• 一个jsp文件对应一个唯一的jsp类加载器
• 问题：修改jsp文件内容，但jsp生成的*.class文件全类名不变
• 解决：直接卸载掉这jsp文件的类加载器
• 过程：Tomcat（web容器）检测到jsp文件被修改》卸载对应的jsp类加载器》重新创建jsp类加载器》重新加载这个jsp文件

其它详细内容请查看Tomcat类加载机制

链接 验证

介绍

• 确保.class文件数据符合JVM规范
• 验证：文件格式，元数据，字节码，符号引用
  例子
  
• 符合JVM规范的字节码文件开头必须是CA FE BA BE

准备

• static变量（static无final修饰）：在方法区中分配内存与默认初始化（JVM给定值）
• static final变量：进行显示初始化（用户值），final变量编译时在常量池中分配内存

解析

介绍

• 解析就是将常量池中符号引用转化为直接引用的过程
• 事实上，解析操作伴随着初始化过程
• 符号引用：JVM规范中定义的符号，这些符号用来描述所引用的目标
• 直接引用：是直接指向目标的指针、相对偏移量或句柄
• 解析类，接口、类方法、接口方法、方法类型、字段等，对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Methodref_info、CONSTANT_Fieldref_info
  例子
  
• 上图是，经过jclasslib反编译后的常量池（静态常量池）
• 静态常量池：位于.class文件中的常量池，静态文件中的常量池
• 运行时常量池：.class文件中的常量池被装载到运行时数据区就变成了运行时常量池

初始化 初始化过程

介绍

• 初始化阶段就是执行类构造方法()的阶段
  ()
• 来历
  • 此方法不是用户自定义的
  • 此方法由javac前端编译器收集类中所有“类变量赋值操作”和“静态代码块中的语句”合并而来
  • “类变量赋值语句”和“静态代码块中语句” 在()方法中的顺序与在源文件中出现的顺序一致
• 父子类()
  • 若该类有父类，JVM会保证先执行父类的()方法，再执行子类的()方法
• 接口()：
  • 接口不能使用静态代码块，但可以有类变量的初始化赋值操作，因此可以生成()方法。
  • 与类不同的是，执行接口的()方法不需要先执行父接口的()方法，只有父类接口定义的变量被使用时父类接口才会初始化。
  • 实现接口的类在初始化时不会执行接口的()方法。
• 多线程()：
  • JVM保证()只会有1个线程执行1次
  • ()是多线程安全的方法，JVM会保证类构造方法()在多线程下被同步加锁
  • 如果多线程同时初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的()方法，其它线程都需要阻塞等待，直到活动线程的()方法执行完毕，其它线程不会再次初始化。
• ()执行时机，见后面 类的初始化时机
  • 类的首次主动使用时才会进行静态变量的初始化，才会执行()方法
  • 只有在类的第1次主动使用时，才会执行()方法1次。
    例子
    
    注意
• ()方法不一定会出现，如果一个类中没有“类变量赋值语句”或“静态代码块”，那么编译器就不会为这个类生成()方法。
• ()方法如果出现，必然有对“类变量赋值语句”或“静态代码块”
• ()是对象构造方法
• .class文件经过jclasslib反编译之后才会出现()方法

类的初始化时机

类的初始化时机-()方法执行时机

• 类的首次主动使用时才会进行静态变量的初始化，才会执行()方法
• 只有在类的第1次主动使用时，才会执行()方法1次。

问题：什么叫做类的首次主动使用呢
解答：创建本对象；创建子类对象；使用类的静态方法或属性

• 创建对象
  • 创建本类对象(Apple apple=new Apple())
  • 创建子类对象(FuShiApple fsApple=new FuShiApple ())
  • 反射创建对象；通过Class文件反射创建对象(Class.forname(“cn.xxx.Test”)).newInstance();
• Java虚拟机启动时被标记为启动类的类(含有main方法)
• 使用静态属性/方法
  • 使用类的静态属性：调用类的静态属性或者给静态属性赋值
  • 调动类的静态方法
• 动态语言支持（java.lang.invoke.MethodHandle实例解析的结果等）
• 创建类引用数组不会进行类的初始化，A[] as=A{10}

class对象同类判断

两个class对象所属类是否为同一个类-两个必要条件

• 全类名一致
• 类加载器实例对象一致

同类同类加载器

类加载器实例的引用存储

• 同样一个类应该被同一个类加载器加载
• 类信息（Class实例）中保存类加载器引用信息
• 如果一个类是由用户自定义类加载器加载的，JVM会将这个类加载器实例的引用作为类型信息的一部分放到方法区

作者声明

• 文章如有问题，欢迎指正！！！