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详细分析JVM类加载机制

作者：羡羡ˇ

JVM将class文件字节码文件加载到内存中， 并将这些静态数据转换成方法区中的运行时数据结构，在堆(并不一定在堆中，HotSpot在方法区中)中生成一个代表这个类的java.lang.Class 对象，作为方法区类数据的访问入口，接下来将详细讲解JVM类加载机制

前言

        ladies and gentleman , 你们好😊 ,我是羡羡 , 这节我们进入jvm的学习 , 我们知道 , jvm是java虚拟机, java代码的执行与 jvm 息息相关, 接下来我们来依次介绍 , 首先这节先来介绍 jvm 中的类加载部分

1. jvm 的组成

jvm组成可分为这四个部分

1.类加载器（ClassLoader）

2.运行时数据区（Runtime Data Area）

3.执行引擎（ExecutionEngine）

4.本地库接口（Native Interface）

那么一个程序在 jvm 中的运行过程是怎样的呢? 

       java代码首先被编译成字节码文件(Class文件),  通过不同操作系统上的 jvm 来加载解释 , 这个过程首先需要类加载器加载class文件 , 然后进行字节码校验 , 校验结束通过后通过jvm解释器翻译成机器码交给操作系统执行

      程序在执行之前先要把 java 代码转换成字节码（class 文件），jvm 首先需要把字节码通一定的方式 类加载器（ClassLoader） 把文件加载到内存中的运行时数据区（Runtime DataArea） ，而字节码文件是 jvm 的一套指 令集规范，并不能直接交个底层操作系统去执行，因此需要特定的命令解析器 执行引擎（Execution Engine） 将字节码翻译成底层系统指令再交由 CPU 去执行，而这个过程中需要调用其他语言的接口 本地库接口（Native Interface） 来实现整个程序的功能，这就是这 4 个主要组成部分的职责与功能

jvm整体结构如下图

 可能说到这里 , 初学的同学会有点懵 , 不过不用担心, 上图中的各个组成部分后面都会一一解释

2. 类加载

       通过上面 jvm的运行过程可知 , 类加载就是读取 class文件的过程 , 这期间需要用到类加载器 , 类加载器只负责加载 , 至于如何执行 , 则由执行引擎决定

类加载 又分为以下几个模块

      类加载器加载class文件到 jvm中 , 被称为DNA元数据模板 , jvm通过模板来创建实例 , 类加载器在此过程相当于担任了快递员的角色

那么类加载的过程是怎样的呢 ?

可以看到 , 分为三个过程 : 加载, 链接 ,初始化 

1. 加载  

1. 通过类名(地址)获取此类的二进制字节流.

2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转换为方法区(元空间)的运行时结构.

3. 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象,作为这个类的各种数据的访问入口.

 顾名思义 , 加载就是把类中的信息加载进 jvm 中

2. 链接

 链接又分为 3 个过程 : 验证, 准备 ,解析

(1) . 验证

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

        验证文件格式是否一致: class 文件在文件开头有特定的文件标识(字节码文件都以 CA FE BA BE 标识开头);主,次版本号是否在当前 java 虚拟机接收范围内

       元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析,以保证其描述的信息符合java 语言规范的要求,例如这个类是否有父类;是否继承浏览不允许被继承的类(final 修饰的类)

验证过程主要是看是否符合java语言的规范

(2) . 准备

准备：准备阶段则负责为类的静态属性分配内存，并设置默认初始值(int为0)

此过程不包含用 final 修饰的 static 常量(静态常量),在编译时进行初始化.

//准备阶段值为0
public static int value = 123；
//准备阶段值为123
public static final int value = 123;

(3) .解析

    将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用（符号引用是 Class 文件的逻辑符号，直接引用指向的方法区中某一个地址）

      将符号引用替换成直接引用, 这句话怎么理解呢 ? 这里来举个例子

public void method1(){
    method2();
}

        在 方法1 中调用 方法2 , 我们这样来写代码的时候, 这就只是符号引用 , 而当这段程序被加载进 jvm解析的时候 符号引用就会变成直接引用, 也就是指明此处真正的引用地址

3. 初始化

 在谈类的初始化过程之前, 先来考虑 , 类什么时候会被初始化? 

1 )创建类的实例，也就是 new 一个对象

2）访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

3）调用类的静态方法

4）反射（Class.forName(“”)）

5）初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）

       初始化类的过程也是为类中成员赋值的过程 , 在链接过程中的准备过程中被static修饰的变量是赋了默认值(int型为0), 而在初始化过程中才会赋予我们赋的值

       我们常说 , 用 static 修饰的变量, 方法 , 代码块是跟类直接打交道的 , 我们说加载类的时候, 使用static修饰的成员也会被加载 , 此过程也是在类的初始化中完成

那么在初始化过程中, 赋值顺序是怎样的呢?

      如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行。 如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类。

      顺序是：父类 static –> 子类 static –> 父类构造方法- -> 子类构造方法

下面代码 num 的值变化

3. 类加载器

        从开发人员的角度上来讲, 类加载器可分为3类 : 引导类加载器(启动类加载器), 扩展类加载器 , 应用程序类加载器

引导类加载器(启动类加载器)

     这个类加载器使用 C/C++语言实现,嵌套在 JVM 内部.它用来加载 java 核心类库.     

     并不继承于java.lang.ClassLoader , 没有父加载器 , 负责加载扩展类加载器和应用程序类加载器 , 并为它们指定父类加载器

     ClassLoader 类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassLoader (不包括启动类加载器）

      引导类加载器作为顶级的类加载器, 非java语言实现 , 所以和java中其他类加载器也不存在继承关系等

扩展类加载器

 Java 语言编写的,由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现. 派生于 ClassLoader 类.

          负责从 java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库,或从 JDK 系统安装目录jre/lib/ext 子目录(扩展目录)下加载类库.如果用户创建的 jar 放在此目录下,也会自动由扩展类加载器加载

应用程序类加载器

     Java 语言编写的,由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现. 派生于 ClassLoader 类.      加载我们自己定义的类,用于加载用户类路径(classpath)上所有的类.      该类加载器是程序中默认的类加载器.

我们自己写的类是由应用程序类加载器加载的, 类加载器结构示例如下

//获取应用程序类加载器  sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
ClassLoader classLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(classLoader);
//获得父类加载器 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@74a14482
System.out.println(classLoader.getParent());
//扩展类加载器上一级是引导类加载器,不是java实现,为null
System.out.println(classLoader.getParent().getParent());
//拿到String类的类加载器,结果为null
//可见,String类为引导类加载器加载
ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1);

另外还有一种叫做用户自定义类加载器 , 例如 tomcat

4. 双亲委派机制

什么是双亲委派机制呢? 

       Java 虚拟机对 class 文件采用的是按需加载的方式,也就是说当需要该类时才会 将它的class 文件加载到内存中生成 class 对象.而且加载某个类的 class 文件 时,Java 虚拟机采用的是双亲委派模式,即把请求交由父类处理,它是一种任务委 派模式.

.

      就是说呢, 如果类加载器接收到了加载请求, 并不会去立即加载这个类, 而是把请求交给它的上一级加载器去加载 , 上一级没有则继续往上找 , 直到顶级的类加载器(引导类加载器)也无法加载时, 开始往下找 , 如果有一级加载成功则返回, 最终加载器都无法加载时, 就会抛出ClassNotFoundException异常

      那么为什么要这样去做呢? 试想, 我们自己创建一个java.lang.String类

package java.lang;
public class String {
    public String(){
        System.out.println("自己的String");
    }
}

建立一个测试类

public class TestString {
    public static void main(String[] args) {
        new String();
    }
}

        试想 , "自己的String" 这句话会被输出吗 ? 答案肯定是不会

        因为加载类的时候会先往上走, 此时走到了引导类加载器, 引导类加载器发现此类没有被加载,并且自己可以加载, 那么java.lang.String 就会被加载了, 此时就会直接返回 

        那么双亲委派机制出现的原因就显而易见了

      安全，可避免用户自己编写的类动态替换 Java 的核心类，如 java.lang.String , 避免全限定命名的类重复加载(使用了 findLoadClass()判断当前类是否已加载)

5. 类的主动/被动使用

      JVM 规定,每个类或者接口被首次主动使用时才对其进行初始化,有主动使用,自然就有被动使用.那么什么时候类被主动使用呢?

除了上面的几种主动使用其余就是被动使用了

     1.引用该类的静态常量,注意是常量,不会导致初始化,但是也有意外,这里的常量是指已经指定字面量的常量,对于那些需要一些计算才能得出结果的常量就会导致初始化,比如:

public final static int NUMBER = 5 ; //不会导致类初始化,被动使用 public final static int RANDOM = new Random().nextInt() ; //会导致类的初始化,主动使用

     2.构造某个类的数组时不会导致该类的初始化

Student[] students = new Student[10]

      主动使用和被动使用的区别在于类是否会被初始化.

结语

       到此关于 jvm 类加载这一章就说完了 , 感谢您的阅读 , 后续将会进行 jvm 中运行时数据区的讲解 , 感谢您的支持 ,谢谢 !!!

到此这篇关于详细分析JVM类加载机制的文章就介绍到这了,更多相关JVM类加载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！

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