JVM分析之類加載機制詳解

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1、前言

JVM內部架構包含類加載器、內存區域、執行引擎等。日常開發中，我們編寫的java文件被編譯成class文件後，jvm會進行加載並運行使用類。本次僅對JVM加載部分進行分析，瞭解並掌握加載機制。

2、類加載是什麼

類加載是一種過程，是將class文件加載到jvm內存的過程。當代碼邏輯中需要引用類時，通過類加載器加載引用類對象並存放堆中，以供代碼調用。

3、類加載過程

註：類加載過程包含 加載、鏈接（驗證、準備、解析）、初始化

3.1 加載

加載：將類的class字節碼文件讀到內存，將其存放到運行時數據區的方法區，然後在堆區生成class對象，封裝類在方法區內的數據結構。（方法區-》數據結構，堆區-》class對象）

過程：java文件-》通過java c編譯成字節碼.class文件-》引導類加載器（裝載核心類庫）-》擴展類加載器（將指定目錄jar包裝載至工作庫）-》系統類加載器（將指定目錄的類和jar包裝載至工作庫，常用）-》自定義類加載器（實現加載指定類或自定義加密等操作）

緩存：類加載到jvm後，會緩存一段時間（不管是否被引用），待jvm執行垃圾回收時才會回收未使用的緩存類，釋放空間。

類加載器：

  • 啟動類加載器：Bootstrap ClassLoader由C/C++實現，嵌套在JVM中，java程序無法直接操作；負責加載Java核心類庫（$JAVA_HOME中jre/lib目錄下或-Xbootclasspath參數指定的路徑目錄下，如java.*開頭的類）的class文件。
  • 擴展類加載器：Extension ClassLoader由Java編寫，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現。加載java平臺擴展的jar包，負責加載（java.ext.dirs目錄或$JAVA_HOME中jre/lib/ext目錄，如javax.開頭的類）的class文件。
  • 應用程序類加載器：Application ClassLoader由Java編寫，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader實現。負責加載用戶類路徑（classpath）的class文件，java程序一般默認使用應用程序類加載器。
  • 自定義類加載器：一般情況下java程序使用上面三種類加載器就滿足瞭，一些特殊情況下，我們需要自定義加載指定路徑的類時，就需要繼承java.lang.ClassLoader類，重寫find Class或loadClass均可實現。（類隔離實踐中就采用此方案）

類加載機制

  • 全盤負責：當加載器加載某個class時，該class所引用的其他class也一並被加載（自定義加載class除外）；
  • 緩存機制：所有加載過的class均被緩存，當程序中使用某個class時，優先從緩存區中獲取，如果緩存區不存在，才會讀取該class的字節碼文件，加載為class對象，並存入緩存區，以便後續使用。（修改class後，需要重啟jvm才會生效）
  • 雙親委派：是一種類加載安全機制，當類加載器需要加載某個class文件時，會優先把加載委托給父類加載器處理，如果加載成功則返回，否則繼續向上委托直至最頂層類加載器，當父類加載器在加載范圍內均沒有找到所需class文件，即表示無法完成加載，此時子加載器才會去加載。（先向上委托父類加載器處理，都失敗後在自己再加載）
  • 反向委派：主要是用於第三方包加載，第三方包的類不在jdk/lib目錄，所以Bootstrap ClassLoader引導類加載器無法直接加載SPI（Service Provider Interface,服務提供者接口）的實現類，雙親委派機制中定義無法反向委托Application Classloader系統加載器加載，因此需要一種特殊的ContextClassLoader線程上下文類加載器來加載第三方的類庫。（*** 此處SPI接口後續文章分析 ***）

加載實現方式

 /*
  * 類加載方式
  * 1、類加載器，此方式加載的class對象還沒有完成鏈接階段
  * 2、java.lang.Class，此方式加載的class對象是完成初始化的
  * */
 ClassLoader classLoader = ClassSegregationTest.class.getClassLoader();
 classLoader.loadClass("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA");
 // 默認初始化class對象
 Class.forName("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA");
 // 默認不初始化，並且指定類加載器進行加載
 Class.forName("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA", false, classLoader);

3.2 鏈接

鏈接是將java二進制代碼合並至jvm運行的過程。

鏈接過程可分為 驗證、準備、解析 三個階段。

驗證

保證正確加載類，包括文件格式驗證（Class文件格式的規范）、元數據驗證（Java語言規范）、字節碼驗證（通過數據流和控制流分析）、符號引用驗證。

準備

  • 在方法區為靜態變量（static修飾）分配內存，並設置類變量初始值（通常是數據類型默認的零值，如0,0L,null,false等）。
  • 顯示賦值是在類對象實例化時處理（即 public static int x=10，準備階段初始值為0，在對象實例化時，才被賦值10）

解析

  • 虛擬機中將常量池的符號引用（常量名）替換為直接引用（目標的指針地址）的過程；
  • 符號引用的目標不一定在內存中，但常量名（或稱字面量）是明確定義在jvm規范的class文件格式中。
  • 直接引用是指向目標的指針地址、相對偏移量或間接定位到目標的句柄，是肯定在內存中。

3.3 初始化

執行每個類的構造方法init()的過程，init()方法是java編譯器自動收集、合並所有類變量的賦值動作和靜態代碼塊語句，完成初始化。

初始化步驟

  • 類未被加載或鏈接，則程序先加載並鏈接該類
  • 優先初始化直接父類，再執行子類初始化
  • 依次執行類中的初始化語句

初始化條件（隻有對類主動使用時才會初始化類）

  • 創建類實例（new Class）
  • 類或接口靜態變量的引用或賦值
  • 類靜態方法的調用
  • 反射加載（Class.forName('')）
  • 子類被初始化，其父類也會被初始化
  • jvm啟動時被標記啟動類的類，或直接java.exe命令運行指定類

演示代碼如下:

 /**
 * 定義父類與子類
 */
 class Parent {
  public static int a = 10;
  static {
   System.out.println(" 父類初始化 ");
  }
 }
 class Children extends Parent{
  public static int a = 100;
  static {
   System.out.println(" 子類初始化 ");
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws Exception {
  // 子類沒有定義變量a （ public static int a = 100;）
    System.out.println(Children.a); // 輸出 --  父類初始化 -- 10 
    // 主動調用時才會執行類的靜態塊
    -----------------------------------------
    // 子類定義變量a 
    System.out.println(Children.a); // 輸出 -- 父類初始化 -- 子類初始化  -- 100 
  // 子類被初始化時，優先初始化父類，所以父類靜態塊執行；調用變量a屬於子類定義，屬於主動調用，所以子類靜態塊執行
 }

調試輸出加載對象（VM options 中添加 -XX:+TraceClassLoading）

  • [Loaded com.lgy.example.class_segregation.Parent from file:/E:/dataway-demo/example/target/classes/]
  • [Loaded com.lgy.example.class_segregation.Children from file:/E:/dataway-demo/example/target/classes/]

僅在首次主動使用才會被初始化。

4、總結

以上就是關於自定義類加載器、加載過程的全部內容。

本文是針對於類隔離實現之自定義類加載器的擴展，對於應用中類加載階段的進一步分析。

通過本文的分析可以瞭解到類加載過程及涉及到的jvm中的模塊，在整理過程中發現有些細節還需要擴展，所以還尚未成功，還需持續跟進。

到此這篇關於JVM分析之類加載機制詳解的文章就介紹到這瞭,更多相關JVM類加載機制內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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