JVM——详解类加载过程

秒速五厘米 2023-01-24 04:23 83阅读 0赞

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*  一、过程概述
 *  二、Loading
 *   *  2.1 类加载器
     *  2.2 双亲委派机制
     *  2.3 类在内存中的结构
 *  三、Linking
 *  四、Initializing

# 一、过程概述 #

java 源文件编译后会生成一个 .class文件存储在硬盘上。

在程序运行时，会将用到的类文件加载到 JVM 内存中。从磁盘到内存的过程总共分为三个步骤：加载、连接、初始化。

> 1.  Loading
> 2.  Linking
> 3.  Initializing

# 二、Loading #

Loading 过程是把一个 class 文件加载到内存中去。

## 2.1 类加载器 ##

JVM 加载类的方式是**按需动态加载**，采用**双亲委派机制**。

认识几种系统提供的类加载器：

1.  Bootstrap 启动类加载器，负责加载指定目录——**JAVA\_HOME/lib**下的 rt.jar、charset.jar 等核心类库，由 C++实现，是JVM 的不可分割的一部分。类加载范围可以在 Launcher 类中查看：  
    ![在这里插入图片描述][20210718113631346.png]
2.  ExtClassLoader 扩展类加载器，负责加载指定目录——**JAVA\_HOME/lib/ext** 下的扩展包，或者也可以由 **-Djava.ext.dirs** 参数指定。类加载范围可以在 Launcher 类中查看：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3NDUwNjk_size_16_color_FFFFFF_t_70]
3.  AppClassLoader 应用类加载器，加载用户应用的 classpath 下的 class 文件，这是应用程序的默认类加载器，用户自定义的类都是通过这个类加载器来加载。类加载范围可以在 Launcher 中查看：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3NDUwNjk_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]
4.  自定义类加载器，开发者自定义的 ClassLoader，继承自 ClassLoader 抽象类，并重写 findClass(…) 。

类加载器（除 C++实现的 Bootstrap 外）本身就是一个普通的 class，JVM 所有的 class 都是被类加载器加载到内存的。

public class TestLoadClass { 
        public static void main(String[] args) { 
            System.out.println(TestLoadClass.class.getClassLoader());
            System.out.println(TestLoadClass.class.getClassLoader().getParent());
            // Bootstrap 由 C++ 实现，Java 中没有具体的类与之对应，故返回 null
            System.out.println(TestLoadClass.class.getClassLoader().getParent().getParent());
        }
    }

output:
    sun.misc.Launcher$AppClassLoader@58644d46
    sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c
    null

## 2.2 双亲委派机制 ##

JVM 加载类时处于安全考虑，基础类和扩展类等，都必须由指定的类加载器来加载，不同的类加载器有自己的命名空间，同一个类，如果由不同的类加载器加载，会在内存中存在多份类对象。也正因如此，JVM 的类加载机制要求诸如 java.lang.Object 这种基础类必须由最基础的 Bootstrap 来加载。

因此，整个 Loading 的过程就成了：底层类加载器收到类加载请求后，必须将请求层层传递给父级加载器检查，确认是否应该由父级加载器加载，若由于父加载器的指定类路径中没有该类文件，就会再层层向下返回，最终才会去加载：  
![双亲委派机制流程][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ3NDUwNjk_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

> Tip：注意，AppClassLoader 的父加载器是 ExtClassLoader，ExtClassLoader的父加载器是Bootstrap 加载器。  
> 这里的父加载器**并不是** Java 多态中语法的 extends 继承关系，而是一种架构上的层级关系，AppClassLoader 和 ExtClassLoader 之间没有任何继承关系，它们在语法上，都继承自 ClassLoader 抽象类，实际上 ClassLoader 中维护了一个 ClassLoader parent 引用，这才是 “双亲” 的真实面目，**即 AppClassLoader 的父加载器实际上是其内部的一个组合对象**。

## 2.3 类在内存中的结构 ##

加载的时候，创建了两块内容，第一块内容是把 Xxx.class 二进制扔到内存中，第二块内容是生成一个 Class 类的对象，该对象中的变量会指向前一块的实际内存地址（这一步实际上是Resolution 的过程）。

# 三、Linking #

Linking，连接，这是一个大的步骤，其中又分为三个小步骤：

> 1.  Verification 验证
> 2.  Preparation 准备
> 3.  Resolution 解析

**验证**：校验 class 文件格式是否符合 jvm 规范，如开头的魔数等。  
**准备**：将 class 中的静态变量赋**默认值**，所谓默认值，举个例子，int 类型默认值是 0，String 类型默认值是 null。  
**解析**：把class 文件常量池中的**符号引用**转化为**直接内存地址**。

# 四、Initializing #

初始化，区别于 Linking 中的 Preparation ，此过程将静态变量赋**初始值**。比如：

public static int num = 8;

这个 num 静态变量会在 Preparation 阶段赋值 0 ，在 Initializing 阶段赋值 8。

Java初始化的时机，JVM规范中有明确规定，自然，加载也一定是在初始化之前完成。JVM规范中定义了以下这些必须初始化完毕的场景：

1.  new
2.  读取和设置 static 变量，只触发**直属类**的初始化（例如，子类直接引用父类中的 static 变量，只初始化父类）
3.  调用 static 方法
4.  子类初始化之前，父类必须完成初始化
5.  main 函数所在的类在执行之前必须完成初始化
6.  通过反射获取类信息

> 注意：对于 static final 类型的属性，在编译之后即存储在字节码文件的常量池中，直接引用它不会触发初始化。

记忆技巧：

1.  new 是创建对象，而对象的创建一定需要类信息的支持
2.  static 变量和方法，又称为类变量、类方法，它们都需要类指针来访问。
3.  main也属于static 方法
4.  子类是父类的扩展，子类都要初始化了，父类当然一定要先初始化
5.  反射是使用类信息的一种技术，当然需要先初始化类

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