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JVM入门之类加载与字节码技术(类加载与类的加载器)

2021-06-15 15:03:23 作者：兴趣使然的草帽路飞

Java字节码增强指的是在Java字节码生成之后，对其进行修改，增强其功能，这种方式相当于对应用程序的二进制文件进行修改。Java字节码增强主要是为了减少冗余代码，提高性能等

1. 类加载阶段

1.1 加载阶段

将类的字节码载入方法区中，内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 java 类，它的重要 field 有：
- _java_mirror 即 java 的类镜像，例如对 String 来说，就是 String.class，作用是把 klass 暴露给 java 使用
- _super 即父类
- _fields 即成员变量
- _methods 即方法
- _constants 即常量池
- _class_loader 即类加载器
- _vtable 虚方法表
- _itable 接口方法表
如果这个类还有父类没有加载，则先触发父类的加载。
加载和链接可能是交替运行的。

注意：

instanceKlass 这样的【元数据】是存储在方法区（1.8 后的元空间内），但 _java_mirror 是存储在堆中

可以通过前面介绍的 HSDB 工具查看

在这里插入图片描述

1.2 链接阶段

验证

验证类是否符合 JVM规范，安全性检查，阻止不合法的类继续运行。用 UE 等支持二进制的编辑器修改 HelloWorld.class的魔数，在控制台运行：

E:\git\jvm\out\production\jvm>java cn.itcast.jvm.t5.HelloWorld
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main" java.lang.ClassFormatError: Incompatible magic value
3405691578 in class file cn/itcast/jvm/t5/HelloWorld
        at java.lang.ClassLoader.defineClass1(Native Method)
        at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:763)
        at
java.security.SecureClassLoader.defineClass(SecureClassLoader.java:142)
        at java.net.URLClassLoader.defineClass(URLClassLoader.java:467)
        at java.net.URLClassLoader.access$100(URLClassLoader.java:73)
        at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:368)
        at java.net.URLClassLoader$1.run(URLClassLoader.java:362)
        at java.security.AccessController.doPrivileged(Native Method)
        at java.net.URLClassLoader.findClass(URLClassLoader.java:361)
        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:424)
        at sun.misc.Launcher$AppClassLoader.loadClass(Launcher.java:331)
        at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
        at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)

准备

为 static 变量分配空间，设置默认值：

static 变量在 JDK 7 之前存储于 instanceKlass 末尾，从 JDK 7 开始，存储于 _java_mirror 末尾
static 变量分配空间和赋值是两个步骤，分配空间在准备阶段完成，赋值在初始化阶段完成
如果 static 变量是 final 的基本类型，以及字符串常量，那么编译阶段值就确定了，赋值在准备阶段完成
如果 static 变量是 final 的，但属于引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成
将常量池中的符号引用解析为直接引用

解析

将常量池中的符号引用解析为直接引用：

/**
* 解析的含义
*/
public class Load2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException,IOException {
        ClassLoader classloader = Load2.class.getClassLoader();
        // loadClass 方法不会导致类的解析和初始化
        Class<?> c = classloader.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.C");
        // new C();
        System.in.read();
    }
}

class C {
	D d = new D();
}

class D {
}

1.3 初始化阶段

< init()> V 方法

初始化即调用 < cinit>()V ，虚拟机会保证这个类的『构造方法』的线程安全。

发生的时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

main 方法所在的类，总会被首先初始化
首次访问这个类的静态变量或静态方法时
子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
Class.forName
new 会导致初始化

不会导致类初始化的情况：

访问类的 static final 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
类对象.class 不会触发初始化
创建该类的数组不会触发初始化
类加载器的 loadClass 方法

测试代码：

class A {
    static int a = 0;
    static {
    	System.out.println("a init");
    }
}
class B extends A {
    final static double b = 5.0;
    static boolean c = false;
    static {
    	System.out.println("b init");
    }
}

验证（测试时请先全部注释，每次只执行其中一个）

public class Load3 {
    // main方法的所在类总会被先初始化
    static {
    	System.out.println("main init");
    }
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        // 1. 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
        System.out.println(B.b);
        // 2. 类对象.class 不会触发初始化
        System.out.println(B.class);
        // 3. 创建该类的数组不会触发初始化
        System.out.println(new B[0]);
        // 4. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        cl.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.B");
        // 5. 不会初始化类 B，但会加载 B、A
        ClassLoader c2 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B", false, c2);
        // 1. 首次访问这个类的静态变量或静态方法时
        System.out.println(A.a);
        // 2. 子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
        System.out.println(B.c);
        // 3. 子类访问父类静态变量，只触发父类初始化
        System.out.println(B.a);
        // 4. 会初始化类 B，并先初始化类 A
        Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.B");
    }
}

1.4 练习

从字节码分析，使用 a，b，c 这三个常量是否会导致 E 初始化：

public class Load4 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(E.a);
        System.out.println(E.b);
        System.out.println(E.c);
    }
}
class E {
    public static final int a = 10;
    public static final String b = "hello";
    public static final Integer c = 20;
}

典型应用 - 完成懒惰初始化单例模式：

public final class Singleton {
    private Singleton() { }
    // 内部类中保存单例
    private static class LazyHolder {
        static final Singleton INSTANCE = new Singleton();
    }
    // 第一次调用 getInstance 方法，才会导致内部类加载和初始化其静态成员
    public static Singleton getInstance() {
    	return LazyHolder.INSTANCE;
    }
}

以上的实现特点是：

懒惰实例化
初始化时的线程安全是有保障的

2. 类加载器

以 JDK 8 为例：

名称	加载哪的类	说明
Bootstrap ClassLoader(启动类加载器)	JAVA_HOME/jre/lib	无法直接访问
Extension ClassLoader(扩展类加载器)	JAVA_HOME/jre/lib/ext	上级为 Bootstrap，显示为 null
Application ClassLoader(应用程序类加载器)	classpath	上级为 Extension
自定义类加载器	自定义	上级为 Application

类加载器的优先级（由高到低）：启动类加载器 -> 扩展类加载器 -> 应用程序类加载器 -> 自定义类加载器

2.1 启动类加载器

用 Bootstrap 类加载器加载类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class F {
    static {
   		System.out.println("bootstrap F init");
    }
}

执行：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class Load5_1 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.F");
        // aClass.getClassLoader()：获得aClass对应的类加载器
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出：

-Xbootclasspath 表示设置 bootclasspath
其中 /a:. 表示将当前目录追加至 bootclasspath 之后
可以有以下几个方式替换启动类路径下的核心类：
- java -Xbootclasspath: < new bootclasspath>
- 前追加：java -Xbootclasspath/a:<追加路径>
- 后追加：java -Xbootclasspath/p:<追加路径>

在这里插入图片描述

2.2 扩展类加载器

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
    static {
    	System.out.println("classpath G init");
    }
}

程序执行：

public class Load5_2 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Class.forName("cn.itcast.jvm.t3.load.G");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

输出结果：

classpath G init
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 // 这个类是由应用程序加载器加载

写一个同名的类：

package cn.itcast.jvm.t3.load;
public class G {
    static {
    	System.out.println("ext G init");
    }
}

打个 jar 包：

E:\git\jvm\out\production\jvm>jar -cvf my.jar cn/itcast/jvm/t3/load/G.class // 将G.class打jar包
已添加清单
正在添加: cn/itcast/jvm/t3/load/G.class(输入 = 481) (输出 = 322)(压缩了 33%)

将 jar 包拷贝到JAVA_HOME/jre/lib/ext（扩展类加载器加载的类必须是以jar包方式存在），重新执行 Load5_2

输出：

ext G init
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44 // 这个类是由扩展类加载器加载

2.3 双亲委派模式

所谓的双亲委派，就是指调用类加载器的 loadClass 方法时，查找类的规则。

注意：这里的双亲，翻译为上级似乎更为合适，因为它们并没有继承关系

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        // 1. 检查该类是否已经加载
        Class<?> c = findLoadedClass(name);
        if (c == null) {
            long t0 = System.nanoTime();
            try {
                if (parent != null) {
                    // 2. 有上级的话，委派上级 loadClass
                    c = parent.loadClass(name, false);
                } else {
                    // 3. 如果没有上级了（ExtClassLoader），则委派
                    BootstrapClassLoader
                    c = findBootstrapClassOrNull(name);
                }
            } catch (ClassNotFoundException e) {
            }
            if (c == null) {
                long t1 = System.nanoTime();
                // 4. 每一层找不到，调用 findClass 方法（每个类加载器自己扩展）来加载
                c = findClass(name);
                // 5. 记录耗时
                sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
            }
        }
        if (resolve) {
        	resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

例如：

public class Load5_3 {
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> aClass = Load5_3.class.getClassLoader()
        			.loadClass("cn.itcast.jvm.t3.load.H");
        System.out.println(aClass.getClassLoader());
    }
}

执行流程为：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 1 处，开始查看已加载的类，结果没有
sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 2 处，委派上级 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader.loadClass()
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 1 处，查看已加载的类，结果没有
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 3 处，没有上级了，则委派 BootstrapClassLoader 查找
BootstrapClassLoader 是在 JAVA_HOME/jre/lib 下找 H 这个类，显然没有
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader // 4 处，调用自己的 findClass 方法，是在JAVA_HOME/jre/lib/ext 下找 H 这个类，显然没有，回到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 的 // 2 处
继续执行到 sun.misc.Launcher$AppClassLoader // 4 处，调用它自己的 findClass 方法，在 classpath 下查找，找到了

2.4 线程上下文类加载器

我们在使用 JDBC 时，都需要加载 Driver 驱动，不知道你注意到没有，不写

Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")

也是可以让 com.mysql.jdbc.Driver 正确加载的，你知道是怎么做的吗？让我们追踪一下源码：

public class DriverManager {
    // 注册驱动的集合
    private final static CopyOnWriteArrayList<DriverInfo> registeredDrivers 
        = new CopyOnWriteArrayList<>();
    // 初始化驱动
    static {
        loadInitialDrivers();
        println("JDBC DriverManager initialized");
    }

先不看别的，看看 DriverManager 的类加载器：

System.out.println(DriverManager.class.getClassLoader());

打印 null，表示它的类加载器是 Bootstrap ClassLoader，会到 JAVA_HOME/jre/lib 下搜索类，但 JAVA_HOME/jre/lib 下显然没有 mysql-connector-java-5.1.47.jar 包，这样问题来了，在 DriverManager 的静态代码块中，怎么能正确加载 com.mysql.jdbc.Driver 呢？

继续看 loadInitialDrivers() 方法：

private static void loadInitialDrivers() {
    String drivers;
    try {
        drivers = AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<String>() {
            public String run() {
            	return System.getProperty("jdbc.drivers");
            }
        });
    } catch (Exception ex) {
    	drivers = null;
    }
    // 1）使用 ServiceLoader 机制加载驱动，即 SPI
    AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
    	public Void run() {
            ServiceLoader<Driver> loadedDrivers = ServiceLoader.load(Driver.class);
            Iterator<Driver> driversIterator = loadedDrivers.iterator();
            try{
                while(driversIterator.hasNext()) {
                    driversIterator.next();
                }
            } catch(Throwable t) {
                // Do nothing
            }
            return null;
        }
    });
    println("DriverManager.initialize: jdbc.drivers = " + drivers);
    // 2）使用 jdbc.drivers 定义的驱动名加载驱动
    if (drivers == null || drivers.equals("")) {
    	return;
    }
    String[] driversList = drivers.split(":");
    println("number of Drivers:" + driversList.length);
    for (String aDriver : driversList) {
        try {
            println("DriverManager.Initialize: loading " + aDriver);
            // 这里的 ClassLoader.getSystemClassLoader() 就是应用程序类加载器
            Class.forName(aDriver, true, ClassLoader.getSystemClassLoader());
        } catch (Exception ex) {
        	println("DriverManager.Initialize: load failed: " + ex);
        }
    }
}

先看 2）发现它最后是使用 Class.forName 完成类的加载和初始化，关联的是应用程序类加载器，因此可以顺利完成类加载

再看 1）它就是大名鼎鼎的 Service Provider Interface （SPI）

约定如下，在 jar 包的 META-INF/services 包下，以接口全限定名名为文件，文件内容是实现类名称

在这里插入图片描述

这样就可以使用:

ServiceLoader<接口类型> allImpls = ServiceLoader.load(接口类型.class);
Iterator<接口类型> iter = allImpls.iterator();
while(iter.hasNext()) {
	iter.next();
}

来得到实现类，体现的是【面向接口编程+解耦】的思想，在下面一些框架中都运用了此思想：

JDBC
Servlet 初始化器
Spring 容器
Dubbo（对 SPI 进行了扩展）

接着看 ServiceLoader.load 方法：

public static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {
    // 获取线程上下文类加载器
    ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
    return ServiceLoader.load(service, cl);
}

线程上下文类加载器是当前线程使用的类加载器，默认就是应用程序类加载器，它内部又是由 Class.forName 调用了线程上下文类加载器完成类加载，具体代码在 ServiceLoader 的内部类 LazyIterator 中：

private S nextService() {
    if (!hasNextService())
    	throw new NoSuchElementException();
    String cn = nextName;
    nextName = null;
    Class<?> c = null;
    try {
    	c = Class.forName(cn, false, loader);
    } catch (ClassNotFoundException x) {
        fail(service, "Provider " + cn + " not found");
    }
    if (!service.isAssignableFrom(c)) {
        fail(service, "Provider " + cn + " not a subtype");
    }
    try {
        S p = service.cast(c.newInstance());
        providers.put(cn, p);
        return p;
    } catch (Throwable x) {
        fail(service, "Provider " + cn + " could not be instantiated", x);
    }
    throw new Error(); // This cannot happen
}

2.5 自定义类加载器

问问自己，什么时候需要自定义类加载器：

1）想加载非 classpath 随意路径中的类文件
2）都是通过接口来使用实现，希望解耦时，常用在框架设计
3）这些类希望予以隔离，不同应用的同名类都可以加载，不冲突，常见于 tomcat 容器

步骤：

继承 ClassLoader 父类
要遵从双亲委派机制，重写 findClass 方法注意不是重写 loadClass 方法，否则不会走双亲委派机制
读取类文件的字节码
调用父类的 defineClass 方法来加载类
使用者调用该类加载器的 loadClass 方法

3.总结

到此这篇关于JVM入门之类加载与字节码技术(类加载与类的加载器)的文章就介绍到这了,更多相关JVM 类加载与字节码技术内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

JVM入门之类加载与字节码技术(类加载与类的加载器)

1. 类加载阶段

1.1 加载阶段

1.2 链接阶段

准备

1.3 初始化阶段

1.4 练习

2. 类加载器

2.1 启动类加载器

2.2 扩展类加载器

2.3 双亲委派模式

2.4 线程上下文类加载器

2.5 自定义类加载器

3.总结

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