01-JVM初识

2022-07-18

01-JVM初识

JVM之类加载子系统

一. 内存结构概述

JVM内存结构如下图所示:

JVM的整个内存模型主要分为如下几部分:

  1. 类加载子系统:主要负责类的加载,链接以及初始化
  2. 运行时数据区:包括堆,虚拟机栈,本地方法栈,pc寄存器,方法区
  3. 执行引擎:包括解释器,即时编译器,垃圾回收器
  4. 本地方法接口
  5. 本地方法库

二. 类加载的过程

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2.1 类加载子系统的作用

  1. 类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载Class文件,class文件在文件开头有特定的文件标识。
  2. ClassLoader只负责class文件的加载,至于它是否可以运行,则由Execution Engine决定。
  3. 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外,方法区中还会存放运行时常量池信息,可能还包括字符串字面量和数字常量(这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射)、

2.2 Loading

  1. 通过一个类的全限定名获取定义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化为方法区的运行时数据结构
  3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为方法区这个类的各种数据的访问入口

对于第一点,我们可以从很多地方获取二进制字节流,并不局限于本地文件,如下所述

  • 从本地系统中直接加载
  • 通过网络获取,典型场景:Web Applet
  • 从zip压缩包中读取,成为日后jar、war格式的基础
  • 运行时计算生成,使用最多的是:动态代理技术
  • 由其他文件生成,典型场景:JSP应用
  • 从专有数据库中提取.class文件,比较少见
  • 从加密文件中获取,典型的防Class文件被反编译的保护措施

2.3 Linking

2.3.1 验证

  1. 目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求,保证被加载类的正确性,不会危害虚拟机自身安全
  2. 主要包括四种验证,文件格式验证,元数据验证,字节码验证,符号引用验证。

2.3.2 准备

  1. 为类变量(static变量)分配内存并且设置该类变量的默认初始值,即零值

  2. 这里不包含用final修饰的static,因为final在编译的时候就会分配好了默认值,准备阶段会显式初始化。

    编译阶段javac会给该属性生成ConstantValue属性和,在准备阶段虚拟机会根据该值进行字段的直接赋值

  3. 注意:这里不会为实例变量分配初始化,类变量会分配在方法区中,而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中

对于前两点,举例如下:

public class Simple {

    private static int a = 1;

    private static final int b = 2;

    public static void main(String[] args) {
    }
}

对于a变量,在这个阶段会被赋予0,初始化阶段才会被赋予1

对于b变量,这个阶段就直接赋予2

2.3.3 解析

  1. 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
  2. 事实上,解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
  3. 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。
  4. 直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄
  5. 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等

这个过程可以这样理解:

就相当于字节码文件的常量池中的有一堆符号引用,其指向了需要引用的目标,但是这个目标也只是一个代号,这个符号引用也只是一个代号,只是说我需要引用某个东西,至于这个东西有没有加载,在哪里,符号引用是不知道的

解析就是把这个代号转为实际引用的地址,在解析过后,符号引用就变成了直接引用,就成了一个实际的地址,可以指向内存中真实存在的某个目标

也就是说,符号引用是一个形式上的代号,而直接引用是一组真实的内存地址

使用javap指令后,可以看到class文件中的符号引用如下:

Constant pool:
   #1 = Methodref          #7.#27         // java/lang/Object."<init>":()V
   #2 = Fieldref           #28.#29        // java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
   #3 = String             #30            // Hello World
   #4 = Methodref          #31.#32        // java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
   #5 = Fieldref           #6.#33         // jvm/Simple.a:I
   #6 = Class              #34            // jvm/Simple
   #7 = Class              #35            // java/lang/Object

带#的即为符号引用

2.4 初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一个步骤。也是虚拟机真正开始执行类中编写的Java程序代码,将主导权移交给应用程序。

初始化阶段就是执行类构造器<clinit>方法的过程。

2.4.1 类的初始化时机

  1. 创建类的实例
  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(比如:Class.forName(“xxx”))
  5. 初始化一个类的子类
  6. Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
  7. JDK7开始提供的动态语言支持:java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF_getStatic、REF putStatic、REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化,则初始化

除了以上七种情况,其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用,都不会导致类的初始化,即不会执行初始化阶段(不会调用 clinit() 方法和 init() 方法)

2.4.2 关于<clinit>

  1. 此方法不需定义,是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。也就是说,当我们代码中包含static变量的时候,就会有clinit方法

  2. <clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量,定义在之后变量,可以赋值但不能访问

    static {
        i = 2; //给变量赋值可以正常编译通过
        //System.out.println(i) ;//编辑器会提示非法的前向引用
    }
    static int i = 1;
    
    public static void main(String[] args) {
        //i的值输出为1,即初始化是按静态语句顺序执行的
        System.out.println(i);  //输出1
    }
    
  3. <clinit>()不同于类的构造器。(关联:构造器是虚拟机视角下的<init>()

  4. 若该类具有父类,JVM会保证子类的<clinit>()执行前,父类的<clinit>()已经执行完毕。因此第一个被执行的<clinit>必定是Object

  5. <clinit>()并不是必须的,如果一个类中没有静态语句块,也没有对类变量的赋值操作,那么编译器可以不为这个类生成该方法

    class NoClinitClass {
    
        private int a = 1;
    
    }
    

    image-20210622230118328

  6. 虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁

    public class DeadThreadTest {
    
    
        public static void main(String[] args) {
            Runnable r = () -> {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
                DeadThread dead = new DeadThread();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
            };
    
            Thread t1 = new Thread(r,"线程1");
            Thread t2 = new Thread(r,"线程2");
    
            t1.start();
            t2.start();
        }
    }
    
    class DeadThread{
        static{
            if(true){
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
                while(true){
    
                }
            }
        }
    }
    

    在上述的代码中,线程1和线程2只有一个会走到初始化当前类,第二个将会被无限阻塞。

    小技巧:

    这个特性也就是通过内部类实现单例模式的原因。即类的初始化是线程安全的。

三. 类的加载器

3.1 概述

  1. JVM严格来讲支持两种类型的类加载器 。分别为引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)和自定义类加载器(User-Defined ClassLoader)
  2. 从概念上来讲,自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器,但是Java虚拟机规范却没有这么定义,而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器
  3. 无论类加载器的类型如何划分,在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个,如下所示:

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public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {

        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //获取其上层:扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

        //获取其上层:获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null

        //对于用户自定义类来说:默认使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //String类使用引导类加载器进行加载的。---> Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null

    }
}

3.2 虚拟机自带的类加载器

3.2.1 启动类加载器

Bootstrap ClassLoader,也称为引导类加载器

  1. 这个类加载使用C/C++语言实现的,嵌套在JVM内部
  2. 它用来加载Java的核心库(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容),用于提供JVM自身需要的类
  3. 并不继承自java.lang.ClassLoader,没有父加载器
  4. 加载扩展类和应用程序类加载器,并作为他们的父类加载器
  5. 出于安全考虑,Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

3.2.2 扩展类加载器

Extension ClassLoader

  1. Java语言编写,由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
  2. 派生于ClassLoader类
  3. 父类加载器为启动类加载器
  4. 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库,或从JDK的安装目录的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

3.2.3 系统类加载器

应用程序类加载器(也称为系统类加载器,AppClassLoader)

  1. Java语言编写,由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
  2. 派生于ClassLoader类
  3. 父类加载器为扩展类加载器
  4. 它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
  5. 该类加载是程序中默认的类加载器,一般来说,Java应用的类都是由它来完成加载
  6. 通过classLoader.getSystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器
public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**********启动类加载器**************");
        //获取BootstrapClassLoader能够加载的api的路径
        URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element : urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:引导类加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        System.out.println("***********扩展类加载器*************");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }

        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:扩展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

    }
}

3.3 用户自定义类加载器

3.3.1 什么时候需要自定义

在Java的日常应用程序开发中,类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的,在必要时,我们还可以自定义类加载器,来定制类的加载方式。那为什么还需要自定义类加载器?

  1. 隔离加载类(比如说我假设现在Spring框架,和RocketMQ有包名路径完全一样的类,类名也一样,这个时候类就冲突了。不过一般的主流框架和中间件都会自定义类加载器,实现不同的框架,中间价之间是隔离的)
  2. 修改类加载的方式
  3. 扩展加载源(还可以考虑从数据库中加载类,路由器等等不同的地方)
  4. 防止源码泄漏(对字节码文件进行解密,自己用的时候通过自定义类加载器来对其进行解密)

3.3.2 如何自定义

  1. 开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式,实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求

  2. 在JDK1.2之前,在自定义类加载器时,总会去继承ClassLoader类并重写loadClass()方法,从而实现自定义的类加载类,但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法,而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass()方法中

    不要轻易覆盖 loadClass 方法,loadClass会破坏双亲委派模型。可能会导致自定义加载器无法加载内置的核心类库

  3. 在编写自定义类加载器时,如果没有太过于复杂的需求,可以直接继承URIClassLoader类,这样就可以避免自己去编写findclass()方法及其获取字节码流的方式,使自定义类加载器编写更加简洁。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    //这里设置parent为null,防止默认的系统类加载器去加载指定类(双亲委派机制),但是不建议这样设置,会导致一些系统基础类无法加载
//    public CustomClassLoader() {
//       super(null);
//    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                //defineClass和findClass搭配使用
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    //自定义流的获取方式
    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密,则需要在此方法中进行解密操作。
        String path = "F:/javaProject/mhn-learn/src/main/java/";
        File file = new File(path + name.replace(".", "/") + ".class");
        return FileUtil.readBytes(file);
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Class<?> clazz = Class.forName("jvm.classloading.Simple", true, new CustomClassLoader());
        Object obj = clazz.newInstance();
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
    }
}

如上,实现了一个自定义的类加载器,实现了根据全类名加载类的逻辑(Simple.class文件需要放在当前目录)

3.4 关于ClassLoader

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)

获取类加载器的途径

  1. 获取当前类的ClassLoader: clazz.getClassLoader()
  2. 获取当前线程上下文ClassLoader: Thread.currentThread().getContextClassLoader()
  3. 获取系统的ClassLoader:ClassLoader.getSystemClassLoader();

3.5 双亲委派机制

3.5.1 原理

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式,也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成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

  1. 如果一个类加载器收到了类加载请求,它并不会自己先去加载,而是把这个请求委托给父类的加载器去执行;
  2. 如果父类加载器还存在其父类加载器,则进一步向上委托,依次递归,请求最终将到达顶层的启动类加载器;
  3. 如果父类加载器可以完成类加载任务,就成功返回,倘若父类加载器无法完成此加载任务,子加载器才会尝试自己去加载,这就是双亲委派模式。
  4. 父类加载器一层一层往下分配任务,如果子类加载器能加载,则加载此类,如果将加载任务分配至系统类加载器也无法加载此类,则抛出异常

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3.5.2 应用

  1. 在java中禁止使用诸如java.lang这种包名,就是由于双亲委派机制所起的保护作用。我们在这种包名下自定义类时,会先由引导类加载器加载,引导类加载器负责加载该rar包下的文件,发现这个类,就会抛出如下的异常,起到保护作用

    java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang

  2. jdbc中的应用

    当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候

    • 我们现在程序中需要用到SPI接口,而SPI接口属于rt.jar包中Java核心api
    • 然后使用双清委派机制,引导类加载器把rt.jar包加载进来,而rt.jar包中的SPI存在一些接口,接口我们就需要具体的实现类了
    • 具体的实现类就涉及到了某些第三方的jar包了,比如我们加载SPI的实现类jdbc.jar包【首先我们需要知道的是 jdbc.jar是基于SPI接口进行实现的】
    • 第三方的jar包中的类属于系统类加载器来加载
    • 从这里面就可以看到SPI核心接口由引导类加载器来加载,SPI具体实现类由系统类加载器来加载

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​ 即实现类与接口分开,当加载实现类时,会先用引导类加载器加载核心接口,然后接口有了,此时回去使用系统类加载器加载的时候就可以成功的加载实现类了

3.5.3 优点

  1. 避免类的重复加载
  2. 保护程序安全,防止核心API被随意篡改
    • 自定义类:自定义java.lang.String 没有被加载。
    • 自定义类:java.lang.ShkStart(报错:阻止创建 java.lang开头的类)

3.5.4 破坏

​ 在实际应用中,有时候需要破坏这种双亲委派机制。比如说SPI中,jdbc接口是jdk定义的,而具体的数据库驱动实现类是第三方包实现的。那么jdk如何去加载第三方包的实现类呢。(jdk这些类是由引导类加载器加载的),可以见上图

​ 这里用到了线程上下文类加载器,这个类加载器可以让jdbc接口去加载jdbc的实现类。

四. 其他知识

4.1 如何判断两个class对象是否相同

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件:

  1. 类的完整类名必须一致,包括包名
  2. 加载这个类的ClassLoader(指ClassLoader实例对象)必须相同
  3. 换句话说,在JVM中,即使这两个类对象(class对象)来源同一个Class文件,被同一个虚拟机所加载,但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同,那么这两个类对象也是不相等的

4.2 对类加载器的引用

  1. JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的
  2. 如果一个类型是由用户类加载器加载的,那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中
  3. 当解析一个类型到另一个类型的引用的时候,JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的