第二章-JVM类加载子系统

JVM java jvm 双亲委派机制

发布时间 : 2023-11-25 14:35

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环境
一、内存结构概述
二、类加载器与类的加载过程
1. 1. 类加载子系统的作用
2. 2. 类的加载过程
三、类加载器分类
四、双亲委派机制
五、沙箱安全机制
六、其他

环境

系统 : Windows 10

JDK : 1.8

一、内存结构概述

JVM架构

二、类加载器与类的加载过程

1. 类加载子系统的作用

类加载子系统

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。参考：IDEA安装JClasslib插件
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，可能述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）

类加载子系统示例

class file可存在于硬盘或网络上，作为一个实例模板。在执行时需要将这个file加载到JVM中，根据类文件实例化出多个类的实例。
class file 加载到 JVM 中，被称为 DNA 元数据模板，放在方法区。
在 .class 文件ー> 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

2. 类的加载过程

类的加载过程

整体加载过程的三个环节：

加载
链接
1. 验证
2. 准备
3. 解析
初始化

clinit

2.1 加载

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

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

2.2 链接

链接分为三个子阶段：验证 -> 准备 -> 解析

验证

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。

举例：

使用 BinaryViewer软件查看字节码文件，其开头均为 CAFE BABE ，如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过。

准备

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。

举例：

代码：变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0，在初始化阶段会被赋值为 1

public class HelloApp {
    private static int a = 1;//prepare：a = 0 ---> initial : a = 1


    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

解析

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。

事实上，解析操作住往会伴随着 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_Methodref_info

符号引用

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

2.3 初始化

2.3.1 类的初始化时机

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，即不会执行初始化阶段（不会调用 clinit() 方法和 init() 方法）

2.3.2 clinit()

初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程
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。也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法
<clinit>()方法中的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

示例1：有static变量

public class ClassInitTest {
   private static int num = 1;

   static{
       num = 2;
       number = 20;
       System.out.println(num);
       //System.out.println(number);//报错：非法的前向引用。
   }

    /**
     * 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;  //linking之prepare: number = 0 --> initial: 20 --> 10

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);//2
        System.out.println(ClassInitTest.number);//10
    }
}

0: iconst_1
1: putstatic     #3                  // Field num:I
4: iconst_2
5: putstatic     #3                  // Field num:I
8: bipush        20
10: putstatic     #5                  // Field number:I
13: getstatic     #2                  // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
16: getstatic     #3                  // Field num:I
19: invokevirtual #4                  // Method java/io/PrintStream.println:(I)V
22: bipush        10
24: putstatic     #5                  // Field number:I
27: return

当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法

示例2：无static变量

类中没有static修饰的变量时，字节码解析没有 clinit方法

添加上static变量后，编译、刷新后可看见clinit方法

示例3：构造器内变量赋值

先将局部变量赋值为20
再将类变量赋值为10

示例4：先加载父类后加载子类

如上代码，加载流程如下：

首先，执行 main() 方法需要加载 ClinitTest1 类
获取 Son.B 静态变量，需要加载 Son 类
Son 类的父类是 Father 类，所以需要先执行 Father 类的加载，再执行 Son 类的加载

示例5：clinit同步加锁

虚拟机必须保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程下被同步加锁

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){

            }
        }
    }
}

输出结果如下：

线程1开始
线程2开始
线程1初始化当前类
// 程序卡死

程序卡死，分析原因：

两个线程同时去加载 DeadThread 类，而 DeadThread 类中静态代码块中有一处死循环
先加载 DeadThread 类的线程抢到了同步锁，然后在类的静态代码块中执行死循环，而另一个线程在等待同步锁的释放
所以无论哪个线程先执行 DeadThread 类的加载，另外一个类也不会继续执行。（一个类只会被加载一次）

静态变量和静态代码块在编译后，都在 clinit方法 中，他们都是类的属性而不属于类的实例的属性，只有在类初始化时加载。

三、类加载器分类

1. 概述

JVM 支持两种类型的类加载器，分別为 引导类加载器（ Bootstrap ClassLoader ）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裁器，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。
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裁器始终只有 3 个，如下所示：

类加载器分类

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
    }
}

2. 虚拟机自带的加载器

2.1. 启动类加裁器（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/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

2.2. 扩展类加载器（ Extension ClassLoader ）

ExtClassLoader

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
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。

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());
        }
        /**
         * 输出结果:
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/resources.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/rt.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/sunrsasign.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/jsse.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/jce.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/charsets.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/lib/jfr.jar
         * file:/H:/software/Java/jdk1.8.0_241/jre/classes
         * file:/C:/Users/George/AppData/Local/JetBrains/IntelliJIdea2022.2/captureAgent/debugger-agent.jar
         */

        
        //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); // null

        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);
        }
        /**
         * 输出结果:
         * H:\software\Java\jdk1.8.0_241\jre\lib\ext
         * C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
         */

        
        //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

    }
}

2.3. 系统类加载器(System ClassLoader)

Java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader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，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

3. 用户自定义类加载器

3.1 什么时候需要自定义类加载器？

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，来定制类的加载方式。那为什么还需要自定义类加载器？

隔离加载类（比如说我假设现在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，中间是隔离的）
修改类加载的方式
扩展加载源（还可以考虑从数据库中加载类，路由器等等不同的地方）
防止源码泄漏（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）

3.2 如何自定义类加载器？

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
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。
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URIClassLoader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。

参考：[自定义类加载器][]

代码示例：

基础类：Person

public class Person {
    private String name;

    public Person() {

    }

    public Person(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String toString() {
        return "I am a person, my name is " + name;
    }
}

自定义类加载器 MyClassLoader

public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    public MyClassLoader() {

    }

    public MyClassLoader(ClassLoader parent) {
        super(parent);
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        File file = getClassFile(name);
        try {
            byte[] bytes = getClassBytes(file);
            Class<?> c = this.defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
            return c;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }

        return super.findClass(name);
    }

    private File getClassFile(String name) {
        File file = new File("H:/code_test/Person.class");
        return file;
    }

    private byte[] getClassBytes(File file) throws Exception {
        // 这里要读入.class的字节，因此要使用字节流
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        FileChannel fc = fis.getChannel();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        WritableByteChannel wbc = Channels.newChannel(baos);
        ByteBuffer by = ByteBuffer.allocate(1024);

        while (true) {
            int i = fc.read(by);
            if (i == 0 || i == -1)
                break;
            by.flip();
            wbc.write(by);
            by.clear();
        }

        fis.close();

        return baos.toByteArray();
    }
}

测试

public class TestMyClassLoader {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        MyClassLoader mcl = new MyClassLoader();
        Class<?> c1 = Class.forName("com.atguigu.java1.Person", true, mcl);
        Object obj = c1.newInstance();
        System.out.println(obj);
        System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
    }
}

如果打印了 : sun.misc.Launcher$AppClassLoader，参考：自定义类加载器

打印结果

I am a person, my name is null
com.atguigu.java1.MyClassLoader@16f65612

4. 关于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）

Classloader

sun.misc.Launcher 它是一个java虚拟机的入口应用

ClassLoader继承关系

4.1 获取 ClassLoader 的途径

方式	代码
获取当前类的 ClassLoader	`clazz.getClassLoader()`
获取当前线程上下文的 ClassLoader	`Threar.currentThread().getClassLoader()`
获取系统的 ClassLoader	`ClassLoader.getSystemClassLoader()`
获取调用者的 ClassLoader	`DriverManager.getCallerClassLoader()`

代码示例：

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1. String由启动类加载器加载
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader); // null

            //2.系统类加载器
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1); // sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

            //3.系统类加载器的父类加载器
            ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
            System.out.println(systemClassLoader);// sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
            ClassLoader classLoader2 = systemClassLoader.getParent();
            System.out.println(classLoader2); // sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@3b192d32

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

四、双亲委派机制

1. 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，也就是说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。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式

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。
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

2. 双亲委派机制代码演示

演示1：自定义String类

我们自己建立一个 java.lang.String 类，写上 static 代码块

public class String {
    //
    static{
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
}

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

public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        java.lang.String str = new java.lang.String();
        System.out.println("hello,atguigu.com");

        StringTest test = new StringTest();
        System.out.println(test.getClass().getClassLoader());
    }
}

输出结果：

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

程序并没有输出我们静态代码块中的内容，可见仍然加载的是 JDK 自带的 String 类。

把刚刚的类改一下。

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");
    }
}

执行后，报错如下：

错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
   public static void main(String[] args)
否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

原因：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。

演示2：使用受保护的包名

在自己的代码中创建包：java.lang , 然后在这个包下新建类：ShkStart

package java.lang;


public class ShkStart {

    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

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

演示3：jdbc.jar

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候

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
然后使用双清委派机制，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
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】
第三方的jar包中的类属于系统类加载器来加载
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

SPI-JDBC

总结：SPI核心接口由引导类加载器加载，接口的具体实现由系统类加载器加载。

3. 双亲委派机制优势

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）

五、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java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

六、其他

1. 如何判断两个class对象是否相同？

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：

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. 文件头示例

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