JVM基本结构-类加载子系统

笔记参考尚硅谷宋红康：JVM全套教程：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ

1.内存结构概述

2.类的加载器及类加载过程

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。
classLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由ExecutionEngine决定。
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)

1.class file 存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例

2.class file 加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。

3.在.class文件-> JVM ->最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具(类装载器 class Loader)，扮演一个快递员的角色。

如上图，假如我们有一个Car类，编译后有一个Car.class文件，通过类加载器加载到内存中，存放到方法区中被称为DNA元数据模板，此时Car.class可以通过getClassLoader()获取谁加载了这个类，在内存中，可以调用Car.class的构造方法，创建几个对象，此时，对象通过getClass()方法还可以获取类的本身，就是知道是由哪个类的创建的。

如上图，我们用代码演示，

运行后，生成class文件

如果当前类没有加载，使用相应的ClassLoader装载，如果出现问题会抛出异常，

成功就链接，初始化HelloLoader，调用HelloLoader.main，结束。

3.类的加载过程

1.类的加载过程一：Loading（加载）

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

补充:加载.class文件的方式

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.类的加载过程二：Linking(链接）

分三个阶段：

1.验证(Verify) :

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。
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。

idea有插件可以查看字节码文件

就可以看了。

当然，在这里，我们用这两个软件查看

用这两个软件查看

新建一个Java文件

先编译好生成.class文件

右击鼠标,选择打开方式

或另一个更好用的

点击后，

将.class文件拖入界面内

就可看到了

所有.class文件都以CA FE BA BE（cafe babe）开头，这是识别Java的标识

2.准备(Prepare) :

为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。
这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化;
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。

如上图变量a在这一阶段只分配内存，并设置零值，当然，不同类型的零值不同。而真正赋值将在initialization阶段。

3.解析(Resolve) :

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
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。
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。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。
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— Method—ref info等。

我们进入idea的控制台，cd 到字节码文件所在目录

比如我在D:\xiazaideruanj\idea2022Ultimate\ideaproject\jvm\target\classes\com\yutian\jvm

下

执行dir命令，显示当前目录下文件。

执行反编译命令

javap -v .\HelloApp.class

可以看到不仅加载了一个类。而使用的就是符号引用。

3.类的加载过程三：initialization（初始化）

初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>() 的过程。
初始化阶段，简言之，就是为类的静态变量赋予正确的初始值。
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。
构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
<clinit>()不同于类的构造器。(关联: 构造器是虚拟机视角下的<init>())
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。
虚拟机必须保证一个类的<clinit>() 方法在多线程下被同步加锁

新写一个java文件

编译后，用jclasslib bytecode viewer 打开

我们看Methods

果然，有一个<clinit>(),<clinit>()下的Code中就可以看到变量一。

增加赋值

再次编译后，用jclasslib bytecode viewer 打开

所以，最后输出结果为2，注意普通的变量（如private int a = 1;)是没有<clinit>()的。

构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。

我们再改一下代码，

因为Linking中的Prepare时，已经给number赋零值了，所以按语句在源文件中出现的顺序来，number被赋值为20，再被赋值为10,最后输出10。

我们看看字节码文件（这是用idea插件,也可以用软件，都用用）

仔细看我圈出来。

以下类都不产生<clinit>()初始化方法：

一个类中并没有声明任何的类变量，也没有静态代码块时；
一个类中声明类变量，但是没有明确使用类变量的初始化语句以及静态代码块来执行初始化操作时；
一个类中包含static final修饰的基本数据类型的字段，这些类字段初始化语句采用编译时常量表达式；

比如没有明确使用类变量的初始化语句以及静态代码块来执行初始化操作时不产生<clinit>()；

注意，任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造。

就是<init>

那么父类呢

将光标放Son类上，用idea插件

可以看到，虽然只输出B的值，但也先加载父类的A。

虚拟机必须保证一个类的<clinit>() 方法在多线程下被同步加锁，也就是必须保证类是唯一的。

package com.yutian.jvm;

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){

            }
        }
    }
}

可以看到只加载了一个类。

4.类加载器分类

1.简单描述

JVM支持两种类型的类加载器，分别为引导类加载器 (BootstrapClassLoader) 和自定义类加载器User-Defined ClassLoader)
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，如下图，除去BootstrapClassLoader以外，都是自定义类加载器。
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:

这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是子父类的继承关系。

关于ClassLoader

我们可以看一下ExtClassLoader

在idea中，快捷键是ctrl+shift+n

ExtClassLoader是Launcher的内部类

光标放在ExtClassLoader上，按Ctrl+H，查看结构.

确实间接继承了ClassLoader 或右击鼠标

package com.yutian.jvm;

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


    }
}

运行结果如下：

启动类加载器 (引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。由java获取此加载类为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

Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的（如：String类使用引导类加载器进行加载的）

2.虚拟机自带的加载器

1.启动类加载器 (引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。由java获取此加载类为null。
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。
并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
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

2.扩展类加载器 (Extension ClassLoader)

Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtclassLoader实现
派生于classLoader类
父类加载器为启动类加载器（非继承）
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ire/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.应用程序类加载器(系统类加载器，AppClassLoader)

AppClassLoader也叫SystemClassLoader ，同一个东西。
java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
派生于ClassLoader类
父类加载器为扩展类加载器
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（自己定义的）。
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
通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

package com.yutian.jvm;


import sun.security.ec.CurveDB;

import java.net.URL;
import java.security.Provider;


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,(比如：jsse.jar下的jsse\com\sun\net\ssl\internal\ssl\Provider.class)
        //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（如sunec.jar下的sunec\sun\security\ecCurveDB）,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

    }
}

我们分别找了相应路径下的Provider.class，结果输出null(Bootstrap ClassLoader)

CurveDB.class,输出ExtClassLoader

输出结果：

4.用户自定义类加载器

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，来定制类的加载方光
为什么要自定义类加载器?
1.隔离加载类
2.修改类加载的方式
3.扩展加载源
4.防止源码泄漏

用户自定义类加载器实现步骤:

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

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URLClassLoader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。

代码示例：

package com.yutian.jvm;

import java.io.FileNotFoundException;


public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

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

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name){
        //从自定义路径中加载指定类:细节略
        //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。
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One",true,customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

5.ClassLoader类

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,因为启动类加载器是c/c++编写的)

详细参考：ClassLoader (Java Platform SE 8 ) (oracle.com)

所以sun.misc.Launcher它是一个java虚拟机的入口应用，因为ExtClassLoader和AppClassLoader都是他的内部类。

获取ClassLoader类的途径

package com.yutian.jvm;


public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);
            //2.
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

            //3.
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果如下：

5.双亲委派机制

我们自定义一个Java.lang.String

package java.lang;

public class String {
    static{
        System.out.println("我是自定义的");
    }
}

那么此时以下程序的String是Java的还是我们自定义的呢？

package com.yutian.jvm;


public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        String str = new String();
        System.out.println("hello,PoemsAndDreams");
    }
}

如上图，也就是并不被影响。

为什么呢？

什么是双亲委派机制?

工作原理:

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;
如果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;
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已去加载，这就是双亲委派模式;

如：

StringTest stringTest = new StringTest();
ClassLoader classLoader = stringTest.getClass().getClassLoader();
System.out.println(classLoader);

输出

以上流程就是向上委托，直到委托到引导类加载器，再判断是否由其自身加载，加载失败，则再向下判断，直至系统类加载器。

我们再看一个例子：

package java.lang;

public class String {
    static{
        System.out.println("我是自定义的");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello,PoemsAndDreams");
    }
}

此时输出就会报错

这就是因为委托到引导类加载器上，引导类判断为自己加载，但String类里没有main方法，就报错，根本不会加载我们自定义的String类。这样可以保证对java核心源代码的保护。

这就是沙箱安全机制

我们再看一个例子：

加载Java.jar，不断向上委托，直到引导类加载器上，由引导类加载器上加载其接口，而具体的实现类因为不属于核心API,属于第三方，就反向委托给ContextClassLoader,最后到系统类加载器。

我们再看一个例子：

我们新建一个PoemAndDreams类。

package java.lang;

public class PoemsAndDreams {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello,PoemsAndDreams");
        System.out.println(" If you shed tears when you miss the sun, you also miss the stars.");
    }
}

要知道Java.lang下没有我们自定义的PoemsAndDreams类，因为java.lang是由引导类加载的，
所以向上委托到引导类加载器上时，会找不到PoemsAndDreams类，而报错。

父加载类加载的类，下层加载器是不能加载的，也是java安全机制中对于恶意代码所采取的防护措施。

优势

避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心API被随意篡改

6.扩展

1.判断

在JVM中表示两个class对象否为同一个类存在两个必要条件:

类的完整类名必须一致，包括包名。
加载这个类的ClassLoader(指ClassLoader实例对象)必须相同。

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。

2.对类加载器的引用

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。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。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。

3.类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为: 主动使用和被动使用。

区别在于会不会导致类的初始化，被动使用不执行类的初始化，不会执行JVM中的 clinit() ，即不会对静态变量的初始化和静态代码块的赋值。

主动使用，又分为七种情况:

创建类的实例
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射(比如: Class.forName(“com.atguigu.Test”))
初始化一个类的子类
Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
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

参考资料：

尚硅谷宋红康：JVM全套教程：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ

周志明：深入理解java虚拟机

张秀宏：自己动手写Java虚拟机 (Java核心技术系列)

Java虚拟机规范：Chapter 4. The class File Format (oracle.com)