JVM学习(5)-类加载过程与双亲委派机制

秒速五厘米 2023-06-18 13:59 50阅读 0赞

### [点击查看更多JVM总结][JVM] ###

### 文章目录 ###

*   *   *  点击查看更多JVM总结
         *   *  1.为什么Java可以实现一次编写，到处运行
             *  2.Class的类文件结是怎么样的
             *  3.类加载介绍
             *  4.类加载的过程
             *  5.类加载过程中每一步都做了什么
             *   *  1 加载
                 *  2 验证
                 *  3 准备
                 *  4 解析
                 *  5 初始化
             *  6.类加载器的作用是什么
             *  7.有哪些类加载器
             *  8.什么是双亲委派机制
             *  9.为什么要使用双亲委派机制
             *  10.如何判断两个类是否相等

#### 1.为什么Java可以实现一次编写，到处运行 ####

Java中，JVM可以理解的代码就叫做字节码（即扩展扩展.class的文件），它不面向任何特定的处理器，只面向虚拟机。Java语言通过字节码的方式，在一定程度上解决了传统这样的Java程序运行时比较高效，而且，由于字节码并不针对一种特定的机器，因此，Java程序无须重新进行。编译可以在各种不同操作系统的计算机上运行。

Clojure（Lisp语言的一种方言），Groovy，Scala等语言都是运行在Java虚拟机之上。下图展示了不同的语言被不同的编译器编译成.class文件最终运行在Java虚拟机之上。.class文件的二进制格式可以使用WinHex查看。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**可以说.class文件是不同的语言在 Java 虚拟机之间的重要桥梁，同时也是支持 Java 跨平台很重要的一个原因。**

#### 2.Class的类文件结是怎么样的 ####

ClassFile {
        u4             magic; //Class 文件的标志
        u2             minor_version;//Class 的小版本号
        u2             major_version;//Class 的大版本号
        u2             constant_pool_count;//常量池的数量
        cp_info        constant_pool[constant_pool_count-1];//常量池
        u2             access_flags;//Class 的访问标记
        u2             this_class;//当前类
        u2             super_class;//父类
        u2             interfaces_count;//接口
        u2             interfaces[interfaces_count];//一个类可以实现多个接口
        u2             fields_count;//Class 文件的字段属性
        field_info     fields[fields_count];//一个类会可以有个字段
        u2             methods_count;//Class 文件的方法数量
        method_info    methods[methods_count];//一个类可以有个多个方法
        u2             attributes_count;//此类的属性表中的属性数
        attribute_info attributes[attributes_count];//属性表集合
    }

Class文件字节码结构组织示意图  
![format_png][]

#### 3.类加载介绍 ####

**Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的加载机制。**  
Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数，属性和方法等，Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能,这里就是我们经常能见到的Class类。

#### 4.类加载的过程 ####

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

#### 5.类加载过程中每一步都做了什么 ####

##### 1 加载 #####

类加载过程的第一步，主要完成下面3件事情：

*  通过全类名获取定义此类的二进制字节流
 *  将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
 *  在内存中生成一个代表该类的 Class 对象,作为方法区这些数据的访问入口

虚拟机规范多上面这3点并不具体，因此是非常灵活的。比如：“通过全类名获取定义此类的二进制字节流” 并没有指明具体从哪里获取、怎样获取。比如：比较常见的就是从 ZIP 包中读取（日后出现的JAR、EAR、WAR格式的基础）、其他文件生成（典型应用就是JSP）等等。

一个非数组类的加载阶段（加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，这一步我们可以去完成还可以自定义类加载器去控制字节流的获取方式（重写一个类加载器的 loadClass() 方法）。数组类型不通过类加载器创建，它由 Java 虚拟机直接创建。

##### 2 验证 #####

\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-X3pQhpNu-1575299932018)(http://note.youdao.com/yws/res/858/01B96D0F39D842428F9C5774E0BF13FF)\]

##### 3 准备 #####

**准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。**

注意：

1.  这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在 Java 堆中。
2.  这里所设置的初始值"通常情况"下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），比如我们定义了public static int value=111 ，那么 value 变量在准备阶段的初始值就是 0 而不是111（初始化阶段才会赋值）。特殊情况：比如给 value 变量加上了 fianl 关键字public static final int value=111 ，那么准备阶段 value 的值就被赋值为 111。

##### 4 解析 #####

**解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。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、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。**

符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。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。在程序实际运行时，只有符号引用是不够的，举个例子：在程序执行方法时，系统需要明确知道这个方法所在的位置。Java 虚拟机为每个类都准备了一张方法表来存放类中所有的方法。当需要调用一个类的方法的时候，只要知道这个方法在方发表中的偏移量就可以直接调用该方法了。通过解析操作符号引用就可以直接转变为目标方法在类中方法表的位置，从而使得方法可以被调用。

综上，解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，也就是得到类或者字段、方法在内存中的指针或者偏移量。

##### 5 初始化 #####

**初始化是类加载的最后一步，也是真正执行类中定义的 Java 程序代码(字节码)，初始化阶段是执行类构造器 ()方法的过程。**

对于< clinit>（） 方法的调用，虚拟机会自己确保其在多线程环境中的安全性。因为 < wclinit>（） 方法是带锁线程安全，所以在多线程环境下进行类初始化的话可能会引起死锁，并且这种死锁很难被发现。

对于初始化阶段，虚拟机严格规范了有且只有5种情况下，必须对类进行初始化：

1.  当遇到 new 、 getstatic、putstatic或invokestatic 这4条直接码指令时，比如 new 一个类，读取一个静态字段(未被 final 修饰)、或调用一个类的静态方法时。
2.  使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用时 ，如果类没初始化，需要触发其初始化。
3.  初始化一个类，如果其父类还未初始化，则先触发该父类的初始化。
4.  当虚拟机启动时，用户需要定义一个要执行的主类 (包含 main 方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类。
5.  当使用 JDK1.7 的动态动态语言时，如果一个 MethodHandle 实例的最后解析结构为 REF\_getStatic、REF\_putStatic、REF\_invokeStatic、的方法句柄，并且这个句柄没有初始化，则需要先触发器初始化。
6.

#### 6.类加载器的作用是什么 ####

类加载器的任务是根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到JVM中，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例。

#### 7.有哪些类加载器 ####

JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader，除了 BootstrapClassLoader 其他类加载器均由 Java 实现且全部继承自java.lang.ClassLoader：

1.  BootstrapClassLoader(启动类加载器) ：最顶层的加载类，由C++实现，负责加载 %JAVA\_HOME%/lib目录下的jar包和类或者或被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的所有类。
2.  ExtensionClassLoader(扩展类加载器) ：主要负责加载目录 %JRE\_HOME%/lib/ext 目录下的jar包和类，或被 java.ext.dirs 系统变量所指定的路径下的jar包。
3.  AppClassLoader(应用程序类加载器) :面向我们用户的加载器，负责加载当前应用classpath下的所有jar包和类。

#### 8.什么是双亲委派机制 ####

每一个类都有一个对应它的类加载器。系统中的 ClassLoder 在协同工作的时候会默认使用 双亲委派模型 。即在类加载的时候，系统会首先判断当前类是否被加载过。已经被加载的类会直接返回，否则才会尝试加载。加载的时候，首先会把该请求委派该父类加载器的 loadClass() 处理，因此所有的请求最终都应该传送到顶层的启动类加载器 BootstrapClassLoader 中。当父类加载器无法处理时，才由自己来处理。当父类加载器为null时，会使用启动类加载器 BootstrapClassLoader 作为父类加载器。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

#### 9.为什么要使用双亲委派机制 ####

> 双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行，可以避免类的重复加载（JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名，相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类），也保证了 Java 的核心 API 不被篡改。如果没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现多个不同的 Object 类。

1.  避免已加载过的类又再次进行加载
2.  避免出现用户自定义和系统类同一限定名的类被加载，导致程序对类定位错乱

#### 10.如何判断两个类是否相等 ####

1.  判断类的全限定名是否一致
2.  判断类的类加载器是否一致

[JVM]: https://blog.csdn.net/pbrlovejava/category_8940998.html
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191202231953453.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[format_png]: https://imgconvert.csdnimg.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?x-oss-process=image/format,png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: https://img-blog.csdnimg.cn/20191202232019201.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0,size_16,color_FFFFFF,t_70
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: https://img-blog.csdnimg.cn/2019120223211975.png?x-oss-process=image/watermark,type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk,shadow_10,text_aHR0cHM6Ly9hcm9uZy5ibG9nLmNzZG4ubmV0,size_16,color_FFFFFF,t_70