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【JVM】类加载子系统(类加载器、双亲委派)

  • 2024-10-30
    福建
  • 本文字数:3314 字

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类加载系统加载类时分为三个步骤,加载、链接、初始化,下面展开介绍。


类加载子系统结构图:



1 类加载器


JVM 使用类加载器加载 class 文件,类加载器可分为引导类加载器自定义类加载器两种。


引导类加载器(Bootstrap ClassLoader),有时也被称作启动类加载器或者零类加载器(Null ClassLoader),是 Java 虚拟机中最基础的类加载器之一。它的主要职责是加载 Java 核心类库。


自定义类加载器需要继承自 ClassLoader 类,JDK 默认提供了一些。比较重要的有两个,拓展类加载器(ExtClassLoader) 和应用类加载器(AppClassLoader) 。


下面展开说说这三个加载器的作用、区别以及联系。先看一张图:



1.1 引导类加载器(BootStrapClassLoader)


特点:


  1. 内部实现:引导类加载器并不是通过 Java 代码实现的,而是用 C++ 或者其他本地语言编写的,并且是 JVM 的一部分。

  2. 加载路径:引导类加载器通常从 $JAVA_HOME/jre/lib/ 或类似的位置加载 Java 核心类。

  3. 无父类加载器:引导类加载器没有显式的父类加载器,这是因为它的设计目的是为了加载 Java 最基础的类库,而这些类库是任何其他类加载器工作的前提。因此,它不需要依赖于任何其他类加载器。

  4. 不可见性:引导类加载器并不是对所有 Java 应用程序都可见的,因为它是 JVM 的一部分,而不是标准的 Java 类加载器层次结构的一部分。

  5. 优先级:引导类加载器通常是整个类加载过程的第一步,当 Java 应用程序启动时,它会首先加载必要的核心类库,然后才允许后续的类加载器(如扩展类加载器和应用类加载器)开始工作。


1.2 拓展类加载器(ExtClassLoader


特点:


  1. 内部实现ExtClassLoader是在sun.misc.Launcher类里的静态内部类,继承自 ClassLoader 类,重写 loadClass() 方法。

  2. 加载路径ExtClassLoader 主要负责加载位于 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的扩展类库。

  3. 委托模型ExtClassLoader 遵循 Java 类加载器的委托模型。当它收到一个类加载请求时,它首先会尝试使用其父类加载器(即 Bootstrap ClassLoader)来加载这个类。如果父类加载器无法加载,则 ExtClassLoader 会尝试自己加载。

  4. 优先级ExtClassLoader 位于 BootstrapClassLoader 之后,但在 AppClassLoader之前。这意味着它继承了 Bootstrap ClassLoader 的特性,并且它加载的类对 Application ClassLoader 可见。


1.3 应用类加载器(AppClassLoader)


特点:


  1. 内部实现AppClassLoader也是在sun.misc.Launcher类里的静态内部类,继承自 ClassLoader 类,重写 loadClass() 方法。

  2. 加载路径AppClassLoader主要负责的目录是当前应用程序的 classpath 所指定的路径,也就是说我们自己写的类默认都是通过AppClassLoader加载的。我们在 IDEA 里运行代码时,仔细观察控制台可以发现第一行通过-classpath指定了当前应用程序的class文件的目录

  3. 委托模型AppClassLoader 遵循 Java 类加载器的委托模型。当它收到一个类加载请求时,它首先会尝试使用其父类加载器 ExtClassLoader来加载这个类。如果父类加载器无法加载,则 AppClassLoader 会尝试自己加载。

  4. 优先级AppClassLoader位于ExtClassLoader 之后。


除了这些特点外,AppClassLoader还有一些别的用途:


  1. 加载第三方 Jar 包:当应用程序依赖于第三方库时,这些库通常会被打包成 JAR 包,并放置在类路径中。AppClassLoader 会加载这些 JAR 包中的类。

  2. 动态加载类:在一些需要动态加载类的场景中,如 Spring Boot 应用程序,AppClassLoader 可以用于动态加载和卸载类。


1.4 双亲委派


原因一:前面我们介绍了引导类加载器、拓展类加载器、应用类加载器分别负责不同的路径下的class文件,但是并不是完全不相交的,比如-classpath除了指定当前应用程序的class文件目录外,也会指定$JAVA_HOME/jre/lib/目录下的某些 jar 包,所以要避免重复加载某些类。


原因二:如果我们的程序被黑客攻击了,比如黑客自己创建了一个 java.lang 的包,里面创建了一个名为 String 的类,把这个包和类植入我们正在运行的项目里,如果他的这个类被加载了,那我们项目里的 String 就会被篡改。


为了避免以上两种原因,我们要保证类只加载一次,并且保证越靠近 JVM 的类加载器优先级越高。这就是双亲委派干的事情!!!


原理:


引导类加载器、拓展类加载器、应用类加载器这三者之前有个关系,但又不是父子类关系,而是应用类加载器有个 parent 属性是拓展类加载器的对象。拓展类加载器的 parent 为空,所以会调用引导类加载器。我们观察ClassLoaderloaderClass()方法可以得出类的加载过程:




简单来说就是,

通过 AppClassLoader 加载 class 时会先用 ExtClassLoader 去加载这个类;

通过 ExtClassLoader 加载 class 时会先用 BootStrapClassLoader 去加载这个类;


好处:

  • 避免类被重复加载。

  • 防止 JVM 核心类被篡改。


2 链接


class 加载完后会进行链接,分为三步:验证、准备、解析。


2.1 验证


第一步是验证 class 文件是否正确,比如验证格式。


2.2 准备


对 static 修饰的属性赋予一个默认值,但这一步不会赋初始值。


举个例子,class 里定义了一个 static int a = 1,准备阶段会把 a 赋值为 0,在初始化阶段 a 才会 = 1。


2.3 解析


将符号引用解析为直接引用。什么意思呢?


首先我们需要知道类被加载后是放到方法区的,每个类都是一个 Klass 对象(也可称为 Klass 结构)。


一般情况下我们都会在一个 A 类里使用到别的 B 类,使用方式是 B 类的全限定名,就只是一个字符串。但是 JVM 实际在执行的时候需要从方法区中找到 B 类的 Klass 对象,解析的作用就是把这个名称字符串替换为实际的 Klass 对象内存地址。“符号引用”就是名称字符串、“直接引用”就是 Klass 对象内存地址。


3 初始化


初始化是类加载子系统的最后一个阶段,也是最为关键的阶段之一。下面详细介绍初始化阶段的内容及其重要性。


3.1 定义


初始化阶段是类加载过程中的最后一个阶段,它负责执行类构造器 <clinit> 方法,并初始化类的静态变量。


3.2 主要任务


初始化阶段的主要任务包括:


  • 执行类构造器 <clinit> 方法<clinit> 方法是一个特殊的静态构造器,它负责对类进行初始化。每个类都有一个 <clinit> 方法,该方法在类第一次被初始化时由 JVM 自动生成并执行。

  • 初始化类变量:类中的静态变量(即类变量)在 <clinit> 方法中被赋值。


3.3 <clinit> 方法的特点


  • 静态块:在类定义中,静态代码块会被编译器转化为 <clinit> 方法中的语句。

  • 顺序执行:如果一个类有多个静态代码块,它们将按照在源代码中出现的顺序依次执行。

  • 线程安全<clinit> 方法是线程安全的,这意味着即使有多个线程同时初始化同一个类,也不会发生冲突。


3.4 示例代码


下面是一个简单的示例,展示类的初始化过程:


    public class InitializationExample {        static {            System.out.println("执行静态初始化块。");        }
static int staticVar = initializeStaticVar();
private static int initializeStaticVar() { System.out.println("初始化静态变量。"); return 10; }
public static void main(String[] args) { System.out.println("静态变量初始化为: " + staticVar); } }
复制代码


输出如下:


    执行静态初始化块。    初始化静态变量。    静态变量初始化为: 10
复制代码


3.5 初始化时机


类的初始化通常在以下几种情况下触发:


  • 首次创建类的实例:当第一次创建类的实例时,JVM 会初始化该类。

  • 调用类的静态方法:当第一次调用类的静态方法时,JVM 会初始化该类。

  • 引用类的静态字段:当第一次引用类的静态字段时,JVM 会初始化该类。

  • 反射性引用:当通过 java.lang.Class 或 java.lang.reflect 包中的方法来引用类时,如果这些方法会导致类的初始化,那么 JVM 会初始化该类。

  • 初始化子类时:当初始化一个类的子类时,如果父类还没有被初始化,那么 JVM 会首先初始化父类。


3.6 初始化顺序


类的初始化顺序遵循一定的规则:


  • 如果类 A 引用了类 B 的静态字段或调用了类 B 的静态方法,那么类 B 必须先于类 A 被初始化。

  • 如果类 A 继承自类 B,那么类 B 必须先于类 A 被初始化。


文章转载自:救苦救难韩天尊

原文链接:https://www.cnblogs.com/GilbertDu/p/18512578

体验地址:http://www.jnpfsoft.com/?from=infoq

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