JVM4️⃣类加载技术

1、类加载阶段

类加载的阶段：加载、链接、初始化

1.1、加载

加载：将 Java 类的字节码载入方法区。

方法区内部采用 C++ 的 instanceKlass 描述 Java 类。
加载和链接可能交替运行，不一定是先后完成。
类加载时发现父类没有加载，则先加载父类。

浅聊 oop-klass 模型

以 JDK 8 为例。

在 Hotspot 中，使用 oop-klass 模型，用于表示 Java 类和对象。

oop（ordinary object pointer）：普通对象指针，标识对象实例。
klass（instanceKlass）：类的元数据，表示类的成员变量、方法、常量池等结构。

简单来说，就是 Java 面向对象中，类与实例的关系。

堆中的对象（xx.class）是一个个的实例。
实例所属的类（klass），位于方法区。

JVM 不把 instanceKlass 暴露给 Java，也就是说 Java 不能直接访问 instanceKlass。

那 Java 如何访问到 Klass？

使用 new 关键字创建对象时，JVM 会创建一个 instanceOopDesc 实例，用于表示 java.lang.Class 对象的实例。

instanceOopDesc 实例，称为 instanceKlass 的 Java 镜像。
对象实例存放在堆中，对象实例的引用存放在栈中。
实例包括两部分信息
- 对象头：包含运行时数据，如多线程的锁信息
- 元数据：维护一个指针，指向对象所属类的 instanceKlass
instanceKlass 中有一个 _java_mirror 属性，指向 instanceOopDesc 实例。
可以看出，instanceOopDesc 实例和 instanceKlass 之间互相持有对对方的引用。

1.2、链接

链接阶段：验证、准备、解析

验证：类是否符合 JVM 规范，安全性检查（e.g. 魔数 cafe babe）
准备：为 static 变量分配空间，设置默认值。
解析：将常量池中的符号引用解析为直接引用。

1.2.1、验证

类是否符合 JVM 规范，安全性检查。

如：检查魔数，是否为 cafe babe

1.2.2、准备（❗）

为 static 变量分配空间，设置默认值。

static 变量的存储位置
- < JDK 1.7：存储于 instanceKlass 的末尾（本地内存）
- >=JDK 7：存储于 instanceOopDesc 实例的末尾（堆）

赋值问题

在准备阶段，static 变量仅分配空间和赋默认初始值。

在初始化阶段，才对变量赋值。

// 举例
static Object o = new Object();
// 准备阶段：分配内存空间，赋初始值为null
// 初始化阶段：赋值为new Object()

注意：若 static 变量是 final 的基本类型、字符串常量，则在准备阶段赋值。

1.2.3、解析

Oracle 官方文档中说到，常量池在最初都是符号引用。

解析阶段：将符号引用解析为直接引用。

符号引用
直接引用

1.3、初始化（❗）

初始化：调用<cinit>()V方法。

JVM 会保证 <cinit>()V 的线程安全。
类初始化是懒惰的，可以理解为非必要不初始化。

1.3.1、触发时机

当主动引用一个类时，会触发初始化。

main() 方法所在的类
new 关键字创建对象
Class.forName()
首次访问类的静态变量或静态方法（除 final 常量）
子类初始化，发现父类还没初始化：先触发父类的初始化
子类访问父类的静态变量：只触发父类初始化

1.3.2、何时不触发

当一个类被动引用时，不触发初始化。

访问类的静态常量（static final，基本类型或字符串）
获取某个类的 Class：类对象.class
创建某个类的数组
Class.forName()：第二个参数为 false，则触发加载，不触发初始化
类加载器的 loadClass()：触发加载，不触发初始化

1.3.3、经典应用：单例模式

单例模式：静态内部类方式。

public final class Singleton{
    private Singleton(){}

    private static class LazyHolder{
        private static final Singleton INSTANCE = new Singleton()；
    }

    public Singleton getInstance(){
        return LazyHolder.INSTANCE;  
    }
}

2、类加载器

类加载器：在类加载阶段，通过一个类的全限定名来获取此类的二进制字节流。

从 JVM 的角度，只有 2 种加载器

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：C++ 实现，属于虚拟机的一部分
其它类加载器： Java 实现（继承自抽象类 java.lang.ClassLoader），独立于虚拟机，。

从 Java 程序员的角度，有 3 种加载器

在有需要的情况下，还可以编写自定义的类加载器。

说明：

启动类加载器无法被 Java 程序访问，显示为 null
应用程序类加载器是系统默认的类加载器

	名称	默认加载范围
Bootstrap ClassLoader	启动类（根）	`JAVA_HOME/jre/lib/*`
Extension ClassLoader	扩展类	`JAVA_HOME/jre/lib/ext`
Application ClassLoader	应用程序类（系统类）	`classpath`

2.1、双亲委派模型

The parent-delegation Model

双亲委派模型：调用类加载器的 loadClass() 方法时，查找类的规则。

亲：理解为上级比较好，而不是“父亲”（因为不是继承关系，而是级别关系）
双：理解为 2 个（应用程序类加载器，有 2 级垂直结构的上级，会向上委派两次）

2.1.1、工作机制（❗）

向上委派，向下加载

一个类加载器收到了类加载的请求。
把请求委托给父加载器，依次向上直到启动类加载器。
从启动类加载器开始：
- 根据类的全限类名，在加载范围内进行扫描查找。
- 找到则进行加载，否则由下一级类加载器尝试加载。
如果所有类加载器都无法完成加载，则抛出异常。

2.1.2、源码：loadClass()

name：类的二进制名
resolve：若 true 则解析类（链接阶段）

2.1.3、源码分析（❗）

大处着眼：方法结构

方法体：分为以下几个部分

findLoadedClass()：根据类名，查找对应的已加载类
if (c == null)：检查类是否已加载，未加载则进入 if 块。
if (resolve)：根据方法调用传递的参数，判断是否要解析类。

返回被加载的类，若无法加载则为 null。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
        Class<?> c = findLoadedClass(name);

        if (c == null){
            ...
        }
        if (resolve) {
            resolveClass(c);
        }
        return c;
    }
}

小处着手：具体代码（❗）

类加载的核心代码：if (c == null) 块

分为 try 块和 if 块，分别对应双亲委派模型的 “向上委托” 和 “向下加载”

try 块：向上委托，直至启动类加载器
1. 若 parent == null，说明上级是启动类加载器
2. 此时调用 findBootstrapClassOrNull()，查找启动类加载器中的对应加载类（根据全限类名）
  - 若返回被加载的类，说明 c 已被启动类加载器加载。
  - 若返回 null，说明启动类加载器无法加载当前类。
if 块：向下加载
- 若 c == null，说明上级类加载器无法完成类加载操作。
- 调用 findClass()，则当前的类加载器尝试去加载类（根据全限类名扫描）
  - 若加载成功，则返回被加载后的类。
  - 否则，抛出 ClassNotFoundException 异常
  - （下一级类加载器会捕获异常，但不做任何操作）

可以看出：双亲委派模型就是从应用程序类加载器开始，递归向上级调用 loadClass() 方法。

只要在某次递归中，c != null 说明 c 已被加载。
若递归结束，c == null 说明 c 无法被加载，抛出 ClassNotFoundException 异常。

类解析：if (resolve)

根据调用 loadClass() 时传递的参数。

若显式指定 resovle == true，则会触发类链接。

若显式指定为 false 或不指定，则不会触发类链接

// loadClass()的重载方法，默认为false
public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
    return loadClass(name, false);
}

2.2、典例：自定义String

2.2.1、示例

自定义 java.lang.String

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("I'm the true String, haha!");
    }
}

执行 main()

2.2.2、分析

main() 所在的类会触发初始化，而初始化之前需要经过加载和链接。

类加载器收到类加载请求，依次向上委托父加载器，直到启动类加载器。
启动类加载器：扫描 JAVA_HOME/jre/lib/* 中的类，发现全限类名为java.lang.String的类加载。
类加载阶段完成，执行 main() 方法。
此时加载的是真正的 java.lang.String，其中没有定义 main()，因此报错。

posted @ 2022-03-04 18:10 Jaywee 阅读(58) 评论(0) 编辑收藏举报

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