Java虚拟机JVM类加载机制(从类文件到虚拟机)

2024-12-01 21:05:55

一、类加载机制简介

什么是类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载机制：所谓的类加载机制就是虚拟机将class文件加载到内存，并对数据进行验证，转换解析和初始化，形成虚拟机可以直接使用的java类型（即java.lang.class）

JVM的类加载机制分为五个部分：加载，验证，准备，解析，初始化，图示：

二、类加载机制过程

2.1、加载（Load）

所谓JVM加载过程，是查找和导入class文件，加载过程：

（1）通过类的全限定名获取这个类的二进制字节流；

（2）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；

（3）在JVM堆中生成代表这个类的java.lang.class对象（作为方法区中这些数据的访问入口）

2.2、连接（Linking）

2.2.1、验证（Verify）

JVM验证（Verify）这个过程是为了保证被加载类的正确性，保证其它后续步骤的正确正常执行，验证的过程包括：

文件格式验证
元数据验证
字节码验证
符号引用验证

2.2.2、准备（Prepare）

准备（Prepare）阶段，是为类变量分配内存并设置初始化值的。

eg：

public static int v = 9092;

注意：在类加载的准备（Prepare）阶段，v变量是赋值为0的而不是9092，这个值是在后续过程才赋值的

 private static int i;
public static void main(String[] args) {
    // 正常打印出0，静态变量在类加载的准备阶段会赋值0
    System.out.println(i);
}

public static void main(String[] args) {
   // 编译报错，因为局部变量没赋值不会自动生成初始化值
    int i;
    System.out.println(i);
}

2.2.3、解析（Resolve）

这个阶段是将常量池中的符号引用转换为直接引用的过程。所谓符号引用就是class文件中的：

1.  CONSTANT_Class_info
2.  CONSTANT_Field_info
3.  CONSTANT_Method_info
// 等等
...

直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。

直接引用和字符引用一个最明显的区别是，直接引用是目标是已经被加载到内存的，而字符引用并不一定已经加载到内存。

2.3、初始化（Initialize）

类加载的初始化阶段，是对类的变量和代码块执行初始化操作，是执行类构造器的过程，换句话说是对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作

三、类加载器Classloader

3.1、类加载器简介

类的加载过程是在JVM之外的，目的是为了让应用程序决定如何获取需要的类。

类加载，也即类加载器通过类的全限定名获取其定义的二进制字节流，顾名思义，类加载器就是来加载class文件的。

3.2、类加载器分类

类加载器可以分为启动类加载器，拓展类加载器，应用程序类加载器

1）、 Bootstrap classload（启动类加载器）：负责加载$JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class或者--Xbootclasspath系统参数指定路径下的jar包。这个实现是由c++实现的
2）、Extension Classload（拓展类加载器）：负责加载java平台中拓展的一些jar，包括$JAVA_HOME中jre/lib/ext/*.jar或者-Djava.ext.dirs指定目录下的jar包
3）、Application Classload（应用程序类加载器）：负责加载classpath中指定的jar或者Djava.class.path指定路径的类和jar包
4）、custom classload（自定义的类加载器）：通过java.lang.ClassLoader的子类实现的类，属于程序根据需要自定义拓展的类加载器，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader

3.3、双亲委派

类的加载原则：按照“双亲委派”的原则加载的，当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类去完成，每一个层次类加载器都是如此也即class类的加载，按照自顶向下的规则，由Bootstrap Classload到custom classload，就是由上层的加载类来加载类

目的：不管是哪个加载器加载这个类，最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载，保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个 Object 对象。

附录：参数资料

https://docs.oracle.com/javase/specs/jvms/se8/html/index.html

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