JVM虚拟机学习系列之二（Java虚拟机的内部结构、整体框架、类加载子系统、双亲委派机制）

Love The Way You Lie 2023-10-04 09:56 16阅读 0赞

**目录**

[1、JVM虚拟机学习系列之一（Java虚拟机的发展史和java发展重大事件）][1_JVM_Java_java]

2、JVM虚拟机学习系列之二（Java虚拟机的内部结构和整体框架）

3、JVM虚拟机学习系列之三（Java虚拟机的运行时数据区：程序计数器+虚拟机栈+本地方法栈）

4、JVM虚拟机学习系列之四（Java虚拟机的字节码与类的加载）

5、JVM虚拟机学习系列之五（Java虚拟机的字节码与类的加载）

前言

学习完本章，你会学到java虚拟机在系统的位置和架构模型、绘画Java虚拟机的架构简图、java虚拟机的类加载子系统等。

一、**走进java虚拟机**

1.  首先我们的了解java虚拟机在系统上处在什么位置，如下图所示：
2.  ![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzI4MjQ1MDg3_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

**二、Jvm架构模型**

1.  Java编译器输入的指令流基本上是一种基于栈的指令集架构，另外一种指令集架构则是基于寄存器的指令集架构。
2.  基于栈式架构的特点：设计和实现更简单，适用于资源受限的系统；避开了寄存器的分配难题，使用零地址指令方式分配；指令流中的指令大部分是零地址指令，其执行过程依赖于操作栈；指令集更小，编译器容易实现；不需要硬件支持，可移植性更好，更好实现跨平台。
3.  基于寄存器架构的特点：典型的应用是x86的二进制指令集:比如传统的PC以及Android的Davlik虛拟机；指令集架构则完全依赖硬件，可移植性差；性能优秀和执行更高效；花费更少的指令去完成一项操作；在大部分情况下，基于寄存器架构的指令集往往都以一-地址指令、二地址指令和三地址指令为主，而基于栈式架构的指令集却是以零地址指令为主。方难学的技；
4.  总结：由于跨平台性的设计，Java的指令都是根据栈来设计的。不同平台CPU架构不同，所以不能设计为基于寄存器的。优点是跨平台， 指令集小，编译器容易实现，缺点是性能下降，实现同样的功能需要更多的指令。

**三、Jvm的生命令周期**

1.  虚拟机的启动：Java,虚拟机的启动是通过引导类加载器(bootstrap class loader) 创建-一个初始类(initial class) 来完成的，这个类是由虚拟机的具体实现指定的。
2.  虚拟机的执行：一个运行中的Java虚拟机有着- -个清晰的任务:执行Java程序；程序开始执行时他才运行，程序结束时他就停止；执行一个所谓的Java程序的时候，真真正正在执行的是一个叫做Java虚拟机的进程。
3.  虚拟机的退出情况分为：程序正常执行结束；程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止；由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止；某线程调用Runtime类或System类的exit方法，或Runt ime类的halt方法，并且Javal安全管理器也允许这次exit或halt操作；除此之外，JNI ( Java Native Interface) 规范描述了用JNIInvocation API来加载或卸载Java虚拟机时，Java 虛拟机的退出情况。

**四、Jvm的架构简图**（jvm详细图请移步到：[https://www.processon.com/view/607665a26376891132cf9a9c][https_www.processon.com_view_607665a26376891132cf9a9c]）

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**五、Jvm类加载子系统**

我们上面学习了Java的Jvm整体架构图和Jvm的运行生命周期，那么接下来，我们会对Jvm的架构图里面的内容逐步分解学习。首先我们先学习jvm类加载子系统。

那么我们的先了解什么是Jvm类加载子系统和他的作用是什么：

1.  类加载子系统的作用：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)。
2.  类加载器ClassLoader角色：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--模一样的实例。 class file 加载到JVM中,被称为DNA元数据模板,放在方法区。
3.  类的加载过程：通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字 节流，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，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。

**六、Jvm类的加载过程**

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1、Loadding阶段阶段

一、类加载器的理解与分类
    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ExecutionEngine决定。
    3、加载的类信息存放于- -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)
    4、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。
    
    二、在程序中我们最常见的虚拟机自带的类加载器只有3个，具体如下：
    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。
         ➢它用来加载Java的核心库(JAVA HOME/j re/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 . mi sc. Launcher$ExtClassLoader实现。
         ➢派生于ClassLoader类
         ➢父类加载器为启动类加载器
         ➢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、应用程序类加载器(系统类加载器，AppClassLoader )
         ➢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.。
         ➢该类加载是程序中默认的类加载器，- -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。
    
    三、自定义类加载器
    1、自定义类加载器的作用：隔离加载类、修改类加载的方式I、扩展加载源、防止源码泄漏等
    
    2、自定义类加载器的实现步骤
         a、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- -些特殊的需求
         b、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。
         c、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。

2、Linking链接加载阶段

一、验证(Verify) :
    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。
    
    二、准备(Prepare) :
    1、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。
    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了，准备阶段会显式初始化;
    3、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。
    
    三、解析(Resolve) :
    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。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。
    4、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 。

3、Initialization初始化阶段

1、初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit> ()的过程。
    2、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。
    3、构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
    4、<clinit> ()不同于类的构造器。(关联:构造器是虚拟机视角下的<init>())
    5、.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。
    6、虚拟机必须保证一一个类的<clinit> ()方法在多线程下被同步加锁。

**七、获取ClassLoader的途径**

1、获取当前类的ClassLoader：clazz . getClassLoader ()、  
例：ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();

2、获取当前线程上下文的ClassLoader：Thread. cur rentThread() . getContextClassLoader ()  
例：ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();

3、获取系统的ClassLoader：ClassLoader . getSystemClassLoader ()  
例：ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();

4、获取扩展类加载器Extension：  
例：ClassLoader extensionClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();

4、获取调用者的ClassLoader：DriverManager. getCal lerClassLoader ()

**八、Jvm类加载器的双亲委派机制**

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双亲委派机制工作原理

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，子类加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。  
4、优点：避免类的重复加载、保护程序安全、防止核心API被随意篡改。

沙箱安全机制

如自己自定义了String类，但是在加载自定义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包中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j ava核心.源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

如果还想学习更多的java知识，请移步到：[https://www.processon.com/view/60504b5ff346fb348a93b4fa][https_www.processon.com_view_60504b5ff346fb348a93b4fa]

[1_JVM_Java_java]: https://blog.csdn.net/qq_28245087/article/details/115307610?spm=1001.2014.3001.5501
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