JVM2 类加载子系统

目录

• 类加载子系统
  • 类加载器子系统
  • 类加载器ClassLoader角色
  • 类加载的过程
    • 案例
    • 加载Loading
    • 连接Linking
    • 初始化Intialization
      • clinit()
  • 类的加载器
    • 虚拟机自带的加载器
      • 启动类/引导类加载器
      • 扩展类加载器
      • 系统类加载器
    • 用户自定义类加载器
      • 为什么要自定义加载器？
  • ClassLoader
    • 获取ClassLoader途径
  • 双亲委派机制(重点)
    • 双亲委派机制原理
    • 代码演示
      • 案例1
      • 案例2
    • 双亲委派机制的优势
    • 沙箱安全机制
    • 其他
      • 如何判断两个Class对象是否为同一个类
      • 对类加载器的引用
      • 类的主动使用和被动使用

类加载子系统

JVM的类加载器分为5个阶段：加载、验证、准备、解析、初始化。在类初始化完成后就可以使用该类的信息，在一个类不再被需要时可以从JVM中卸载。

类加载器子系统

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Execution Engine(执行引擎)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）

常量池Constant pool 在运行过程中加载到内存叫做运行时常量池

类加载器ClassLoader角色

1.class file（在下图中就是Car.class文件）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个实例。

2.class file加载到JVM中，被称为DNA元数据模板（在下图中就是内存中的Car Class,类），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。

调用Car Class 的 getClassLoader() 获取谁加载的此类，获取加载此类的类加载器

Car实例通过调用 getClass() 获取此实例由哪个类创建

类加载的过程

案例

public class HelloLoader {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("谢谢ClassLoader加载我....");
        System.out.println("你的大恩大德，我下辈子再报！");
    }
}

加载Loading

JVM读取Class文件

加载过程

1.通过一个类的全限定名(全类名)获取定义此类的二进制字节流(物理磁盘上的文件为例)

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，类存放在方法区中

3.在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象(Class的实例)，作为方法区这个类的各种数据的访问入口 --> Class的实例对应这当前加载到内存中二进制字节流类本身

加载到内存中的类，就称为运行时类，此运行时类，就作为Class的一个实例。 -> Class的实例对应一个运行时类

加载完类之后,在堆内存的方法区就产生了一个Class类型的对象(一个类只有一个Class对象),这个对象包含了完整的类的结构信息。

连接Linking

• 验证Verification
  • 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。
• 准备Preparation
  • 为方法区中的类变量（static）分配内存并且设置该类变量的初始值(不同数据类型的默认值)，在初始化阶段再进行赋值。但final类型的类变量(static)会直接生成其对应的ConstantValue值(进行赋值)
  • 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，而实例变量会随着对象一起分配到Java堆中
• 解析Resolution
  • 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

说明

1.使用 BinaryViewer 软件查看字节码文件，所有能够被Java虚拟机识别的字节码文件起始值都是CAFE BABE

2.符号引用

javap -v class文件名 反编译 class 文件后可以查看符号引用，下面带# 的就是符号引用

符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。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 Methodref info等

初始化Intialization

clinit()

初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程

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。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
3. <clinit>()不同于类的构造器，init方法与构造器加载相关，会对非static修饰的变量进行赋值操作，最后调用类本身的构造器。
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
5. 一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁(只能一个线程执行)，类只加载一次(加载完类之后,在方法区就产生了一个Class类型的对象(一个类只有一个Class对象))

IDEA 中安装 JClassLib Bytecode viewer 插件，可以很方便的看字节码。

说明

2.<clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行

public class ClassInitTest {
private static int num = 1;
static{
       num = 2;
       number = 20;
	   System.out.println(ClassInitTest.num);
		/*假设这里打印number会编译器报错:非法的前置引用,提前引用了该变量， 声明的变量在后面，可以赋值不可以调用*/
	   //System.out.println(ClassInitTest.number);
   }
   /**
    * 1、linking之prepare: number = 0 --> initial:20 -->10
    * 2、这里因为静态代码块出现在声明变量语句前面，所以之前被准备阶段为0的number变量会 首先被初始化为20，再接着被初始化成10
    *
    */
   private static int number = 10;
   public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);//2
	    System.out.println(ClassInitTest.number);//10
    }
}

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

public class Test{

	static class Son extends Father{
		public static int B=A;
	}
	static class Father{
		public static int A=1;
		static{
			A=2;
		}
	}
	public static void main(String[] args){
		/**
		* 调用main方法，Test类先加载在方法区中
		* 调用Son类的静态变量 会先加载Father类、连接、初始化 其次加载Son类
		*/
		System.out.println(Son.B); // 2
	}
}

类的加载器

虚拟机自带的加载器

引导类加载器(Bootstrap ClassLoader):负责java平台核心库(Java_Home/lib)的加载，该加载器无法直接获取。

扩展类加载器(Extention Classloader):负责jre(Java Runtime Environment)/lib/ext目录下的类库

应用/系统类加载器（Application ClassLoader):负责加载用户路径(classpath)上的类，自己定义的类

//获取系统类加载器
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

//获取其上层：扩展类加载器
ClassLoader extentionClassLoader = systemClassLoader.getParent();

//获取其上层: 引导类加载器 ①
ClassLoader bootstarpClassLoader = extentionClassLoader.getParent();

//对于用户自定义类,默认使用系统类加载器加载 ②
ClassLoader  classLoader = ReFlectionTest.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader);//系统类加载器AppClassLoader

//String类型，使用引导类加载器进行加载的
ClassLoader  classLoader1 = String.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1);//nuill

注意点

① 打印引导类加载器值为 null ，这并不代表引导类加载器不存在，因为引导类加载器右 C/C++ 语言，所以获取不到

② 两次获取系统类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明系统类加载器是全局唯一的

启动类/引导类加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

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(C/C++实现)，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

扩展类加载器

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

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(并不是包含关系、上下层的关系)为扩展类加载器

4.它负责加载环境变量classpath(自定义类)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*************");
		//获取Extension ClassLoader的加载路径
        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

    }
}

//打印输出  jar里存放的是class文件
**********启动类加载器**************
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/classes
null
***********扩展类加载器*************
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44

用户自定义类加载器

为什么要自定义加载器？

• 隔离加载类，如假设现在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
• 修改类加载的方式
• 扩展加载源，可以考虑从数据库中加载类，路由器等等不同的地
• 防止源码泄露，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

其余部分之后学习再记录。

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）

这几个方法都不是抽象方法。

获取ClassLoader途径

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.使用Class类的中静态forName()方法获得与参数对应的Class对象，通过Class获取ClassLoader
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);
            //2.通过线程上下文
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

            //3.获取系统类ClassLoader
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);

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

//***********输出结果
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

双亲委派机制(重点)

双亲委派机制原理

Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，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。 Java采用双亲委派模式(一种任务委派模式)加载某个类的class文件，也就是把请求交由父类处理，

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

代码演示

案例1

1.我们自己建立一个 java.lang.String 类(java.lang包下创建String类)，写上 static 代码块

public class String {
    static{
		//静态代码块的调用在初始化阶段
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
}

2.在另外的程序中加载 String 类，看看加载的 String 类是 JDK 自带的 String 类，还是我们自己编写的 String 类

package com.ranan.java
public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
		//上传给引导类加载器后，引导类加载器发现是java开头的包它可以处理
        java.lang.String str = new java.lang.String();
        System.out.println("hello,ranan.com");
		//委托到引导类加载器，引导类加载器看这个包（ com.ranan开头)不能处理，就向下分配任务，直到系统类加载器处理
        StringTest test = new StringTest();
        System.out.println(test.getClass().getClassLoader());//调用StringTest
    }
}

输出结果

hello,ranan.com
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

说明并没有加载我们自定义的String类，如果这里加载我们自定义的String类里面写入攻击的命令，会对项目造成毁灭性的影响。为了防止恶意攻击引入双亲委派机制，也就是为什么引导类加载器只能加载核心库。

修改代码

package java.lang;
public class String {
    //
    static{
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
    //错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello,String");
    }
}

由于双亲委派机制一直找父类，所以最后找到了Bootstrap ClassLoader，Bootstrap ClassLoader找到的是 JDK 自带的 String 类，在那个String类中并没有 main() 方法，所以就报了上面的错误。

案例2

即使类名没有重复，也禁止使用java.lang这种包名。这是一种保护机制。

package java.lang;
//此类在自带的java.lang包中不存在
public class ShkStart {
	//引导类加载器加载这个类时报错
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello!");
    }
}

输出结果：

java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
    at java.lang.ClassLoader.preDefineClass(ClassLoader.java:662)
    at java.lang.ClassLoader.defineClass(ClassLoader.java:761)
    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:335)
    at java.lang.ClassLoader.loadClass(ClassLoader.java:357)
    at sun.launcher.LauncherHelper.checkAndLoadMain(LauncherHelper.java:495)
Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
Exception in thread "main"
Process finished with exit code 1
Copy to clipboardErrorCopied

双亲委派机制的优势

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候

1.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

2.然后使用双亲委派机制，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

4.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】

5.第三方的jar包中的类属于系统类加载器来加载

6.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

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
  • 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）

沙箱安全机制

自定义String类时：在加载自定义String类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件（rt.jar包java.lang.String.class），报错信息说没有main方法，就是因为加载的是rt.jar包中的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。

其他

如何判断两个Class对象是否为同一个类

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

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

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的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（后面动态链接讲）

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

主动使用会导致类的初始化，分为七种情况

1.初始化类的子类，父类的<clinit>()先于子类的<clinit>()执行

2.调用类的静态方法

3.访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

4.创建类的实例(相当于调用了类)

5.Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

6.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

7.在使用Class.forName 加载指定类的时候，默认是需要，可以通过initialize参数设置是否需要对类初始化

其他使用Java类的方式看作被动使用不会导致类的初始化。如：在使用ClassLoader默认的loadClass方法加载类时不会触发该类的初始化

注意：访问类的静态常量会不会导致类的初始化