JVM分析之类加载机制详解

1、前言

JVM内部架构包含类加载器、内存区域、执行引擎等。日常开发中，我们编写的java文件被编译成class文件后，jvm会进行加载并运行使用类。本次仅对JVM加载部分进行分析，了解并掌握加载机制。

2、类加载是什么

类加载是一种过程，是将class文件加载到jvm内存的过程。当代码逻辑中需要引用类时，通过类加载器加载引用类对象并存放堆中，以供代码调用。

3、类加载过程

注：类加载过程包含 加载、链接（验证、准备、解析）、初始化

3.1 加载

加载：将类的class字节码文件读到内存，将其存放到运行时数据区的方法区，然后在堆区生成class对象，封装类在方法区内的数据结构。（方法区-》数据结构，堆区-》class对象）

过程：java文件-》通过java c编译成字节码.class文件-》引导类加载器（装载核心类库）-》扩展类加载器（将指定目录jar包装载至工作库）-》系统类加载器（将指定目录的类和jar包装载至工作库，常用）-》自定义类加载器（实现加载指定类或自定义加密等操作）

缓存：类加载到jvm后，会缓存一段时间（不管是否被引用），待jvm执行垃圾回收时才会回收未使用的缓存类，释放空间。

类加载器：

• 启动类加载器：Bootstrap ClassLoader由C/C++实现，嵌套在JVM中，java程序无法直接操作；负责加载Java核心类库（$JAVA_HOME中jre/lib目录下或-Xbootclasspath参数指定的路径目录下，如java.*开头的类）的class文件。
• 扩展类加载器：Extension ClassLoader由Java编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。加载java平台扩展的jar包，负责加载（java.ext.dirs目录或$JAVA_HOME中jre/lib/ext目录，如javax.开头的类）的class文件。
• 应用程序类加载器：Application ClassLoader由Java编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。负责加载用户类路径（classpath）的class文件，java程序一般默认使用应用程序类加载器。
• 自定义类加载器：一般情况下java程序使用上面三种类加载器就满足了，一些特殊情况下，我们需要自定义加载指定路径的类时，就需要继承java.lang.ClassLoader类，重写find Class或loadClass均可实现。（类隔离实践中就采用此方案）

类加载机制

• 全盘负责：当加载器加载某个class时，该class所引用的其他class也一并被加载（自定义加载class除外）；
• 缓存机制：所有加载过的class均被缓存，当程序中使用某个class时，优先从缓存区中获取，如果缓存区不存在，才会读取该class的字节码文件，加载为class对象，并存入缓存区，以便后续使用。（修改class后，需要重启jvm才会生效）
• 双亲委派：是一种类加载安全机制，当类加载器需要加载某个class文件时，会优先把加载委托给父类加载器处理，如果加载成功则返回，否则继续向上委托直至最顶层类加载器，当父类加载器在加载范围内均没有找到所需class文件，即表示无法完成加载，此时子加载器才会去加载。（先向上委托父类加载器处理，都失败后在自己再加载）
• 反向委派：主要是用于第三方包加载，第三方包的类不在jdk/lib目录，所以Bootstrap ClassLoader引导类加载器无法直接加载SPI（Service Provider Interface,服务提供者接口）的实现类，双亲委派机制中定义无法反向委托Application Classloader系统加载器加载，因此需要一种特殊的ContextClassLoader线程上下文类加载器来加载第三方的类库。（*** 此处SPI接口后续文章分析 ***）

加载实现方式

 /*
  * 类加载方式
  * 1、类加载器，此方式加载的class对象还没有完成链接阶段
  * 2、java.lang.Class，此方式加载的class对象是完成初始化的
  * */
 ClassLoader classLoader = ClassSegregationTest.class.getClassLoader();
 classLoader.loadClass("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA");
 // 默认初始化class对象
 Class.forName("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA");
 // 默认不初始化，并且指定类加载器进行加载
 Class.forName("com.lgy.example.class_segregation.SegregationTestA", false, classLoader);

3.2 链接

链接是将java二进制代码合并至jvm运行的过程。

链接过程可分为 验证、准备、解析 三个阶段。

验证

保证正确加载类，包括文件格式验证（Class文件格式的规范）、元数据验证（Java语言规范）、字节码验证（通过数据流和控制流分析）、符号引用验证。

准备

• 在方法区为静态变量（static修饰）分配内存，并设置类变量初始值（通常是数据类型默认的零值，如0,0L,null,false等）。
• 显示赋值是在类对象实例化时处理（即 public static int x=10，准备阶段初始值为0，在对象实例化时，才被赋值10）

解析

• 虚拟机中将常量池的符号引用（常量名）替换为直接引用（目标的指针地址）的过程；
• 符号引用的目标不一定在内存中，但常量名（或称字面量）是明确定义在jvm规范的class文件格式中。
• 直接引用是指向目标的指针地址、相对偏移量或间接定位到目标的句柄，是肯定在内存中。

3.3 初始化

执行每个类的构造方法init()的过程，init()方法是java编译器自动收集、合并所有类变量的赋值动作和静态代码块语句，完成初始化。

初始化步骤

• 类未被加载或链接，则程序先加载并链接该类
• 优先初始化直接父类，再执行子类初始化
• 依次执行类中的初始化语句

初始化条件（只有对类主动使用时才会初始化类）

• 创建类实例（new Class）
• 类或接口静态变量的引用或赋值
• 类静态方法的调用
• 反射加载（Class.forName('')）
• 子类被初始化，其父类也会被初始化
• jvm启动时被标记启动类的类，或直接java.exe命令运行指定类

演示代码如下:

 /**
 * 定义父类与子类
 */
 class Parent {
  public static int a = 10;
  static {
   System.out.println(" 父类初始化 ");
  }
 }
 class Children extends Parent{
  public static int a = 100;
  static {
   System.out.println(" 子类初始化 ");
  }
 }
 public static void main(String[] args) throws Exception {
  // 子类没有定义变量a （ public static int a = 100;）
    System.out.println(Children.a); // 输出 --  父类初始化 -- 10 
    // 主动调用时才会执行类的静态块
    -----------------------------------------
    // 子类定义变量a 
    System.out.println(Children.a); // 输出 -- 父类初始化 -- 子类初始化  -- 100 
  // 子类被初始化时，优先初始化父类，所以父类静态块执行；调用变量a属于子类定义，属于主动调用，所以子类静态块执行
 }

调试输出加载对象（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/]

仅在首次主动使用才会被初始化。

4、总结

以上就是关于自定义类加载器、加载过程的全部内容。

本文是针对于类隔离实现之自定义类加载器的扩展，对于应用中类加载阶段的进一步分析。

通过本文的分析可以了解到类加载过程及涉及到的jvm中的模块，在整理过程中发现有些细节还需要扩展，所以还尚未成功，还需持续跟进。

到此这篇关于JVM分析之类加载机制详解的文章就介绍到这了,更多相关JVM类加载机制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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