深入分析 JVM 的运行原理及类加载器

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 2023-01-16
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原文作者：silly8543 原文地址：https://juejin.cn/post/6977879911834845214

JVM运行原理

首先从“.java”代码文件，编译成“.class”字节码文件，然后类加载器将“.class”字节码文件中的类给加载带JVM中，最后就是JVM执行写好的代码。执行过程如下图

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类加载器

类加载过程

加载 -> 验证 -> 准备 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸载

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加载

一旦JVM进程启动之后，一定会先把类加载到内存中，然后从main()方法的入口代码开始执行

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

  • 加载指是将类CLass文件读入到内存中，并创建一个java.lang.Class对象

  • 类的加载器由类加载器完成，类加载器通常由JVM提供，除此之外，可以通过继承ClassLoader基类来创建自己的类加载器

  • 通过使用不同的类加载器，可以从不同来源加载类的二进制数据

    • 从本地文件系统加载class文件
    • 从JAR包加载class文件，JDBC编程时用到的数据库驱动类就放在JAR文件中，JVM可以从JAR文件中直接加载该class文件
    • 通过网络加载class文件
    • 把一个java源文件动态编译，并执行加载

准备阶段

验证

根据Java虚拟机规范，来校验加载进来的“.class”文件中的内容，是否符合指定的规范，如果“.class”文件被人篡改，里面的字节码不符合规范，那么JVM是没法执行这个字节码。所在把“.class”文件加载到内存后，必须先验证一下，检验他必须完全符合JVM规范，才交给JVM来运行。其主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证

  • 文件格式验证：主要验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能被当前的虚拟机加载处理。例如：主，次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内。常量池中是否有不被支持的常量类型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合类型的常量
  • 元数据验证：对字节码描述的信息进行语义的分析，分析是否符合java的语言语法的规范
  • 字节码验证：最重要的验证环节，分析数据流和控制，确定语义是合法的，符合逻辑的。主要的针对元数据验证后对方法体的验证。保证类方法在运行时不会有危害出现
  • 符号引用验证：主要是针对符号引用转换为直接引用的时候，是会延伸到第三解析阶段，主要去确定访问类型等涉及到引用的情况，主要是要保证引用一定会被访问到，不会出现类等无法访问的问题

准备

给引用的类分配一定的内存空间，然后给里面的类变量（也就是static修饰的变量）分配内存空间，来一个默认的初始值

解析

实际上是 把将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用 的过程，这个部分的内容比较复杂，设计到JVM的底层

  • 符号引用：符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何的字面形式的字面量，只要不会出现冲突能够定位到就行。布局和内存无关
  • 直接引用：是指向目标的指针，偏移量或者能够直接定位的句柄。该引用是和内存中的布局有关的，并且一定加载进来的

解析主要包括：

  • 类或接口的解析
  • 字段解析
  • 类方法解析
  • 接口方法解析

初始化

初始化是为类的静态变量赋予正确的初始值，准备阶段和初始化阶段看似有点矛盾，其实是不矛盾的，如果类中有语句：private static int a = 10，它的执行过程是这样的，首先字节码文件被加载到内存后，先进行链接的验证这一步骤，验证通过后准备阶段，给a分配内存，因为变量a是static的，所以此时a等于int类型的默认初始值0，即a=0,然后到解析（后面在说），到初始化这一步骤时，才把a的真正的值10赋给a,此时a=10

一个非常重要的规则，就是如果初始化一个类的时候，发现他的父类还没初始化，那么必须先初始化他的父类

加载器

启动类/根类加载器

Bootstrap ClassLoader ，他主要是负责加载我们在机器上安装的Java目录下的核心类的，是用原生代码来实现的，并不继承自 java.lang.ClassLoader（负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，由C++实现，不是ClassLoader子类）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作

扩展类加载器

Extension ClassLoader ，负责加载JRE的扩展目录，lib/ext或者由java.ext.dirs系统属性指定的目录中的JAR包的类。由Java语言实现，父类加载器为null

应用程序类加载器

Application ClassLoader ，被称为应用（也称为系统）类加载器，它负责在JVM启动时加载来自Java命令的-classpath选项、java.class.path系统属性，或者CLASSPATH换将变量所指定的JAR包和类路径。程序可以通过ClassLoader的静态方法getSystemClassLoader()来获取系统类加载器。如果没有特别指定，则用户自定义的类加载器都以此类加载器作为父加载器。由Java语言实现，父类加载器为ExtClassLoader。

类加载器加载Class大致要经过如下8个步骤：

  • 检测此Class是否载入过，即在缓冲区中是否有此Class，如果有直接进入第8步，否则进入第2步
  • 如果没有父类加载器，则要么Parent是根类加载器，要么本身就是根类加载器，则跳到第4步，如果父类加载器存在，则进入第3步
  • 请求使用父类加载器去载入目标类，如果载入成功则跳至第8步，否则接着执行第5步
  • 请求使用根类加载器去载入目标类，如果载入成功则跳至第8步，否则跳至第7步
  • 当前类加载器尝试寻找Class文件，如果找到则执行第6步，如果找不到则执行第7步
  • 从文件中载入Class，成功后跳至第8步
  • 抛出ClassNotFountException异常
  • 返回对应的java.lang.Class对象

自定义类加载器

除了上面那几种之外，还可以自定义类加载器，去根据你自己的需求加载你的类

类加载机制

JVM的类加载机制 主要有如下3种：

  • 全盘负责：所谓全盘负责，就是当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖和引用其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入
  • 双亲委派：所谓的双亲委派，则是先让父类加载器试图加载该Class，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类。通俗的讲，就是某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父加载器，依次递归，如果父加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载
  • 缓存机制。缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区中搜寻该Class，只有当缓存区中不存在该Class对象时，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓冲区中。这就是为很么修改了Class后，必须重新启动JVM，程序所做的修改才会生效的原因

双亲委派机制

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这就是所谓的**双亲委派模型：**先找父亲去加载，不行的话再由儿子来加载

  • 双亲委派机制，其工作原理的是，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，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，即每个儿子都很懒，每次有活就丢给父亲去干，直到父亲说这件事我也干不了时，儿子自己才想办法去完成
  • 双亲委派机制的优势：采用双亲委派模式的是好处是Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次是考虑到安全因素，java核心api中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的java.lang.Integer，而直接返回已加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改