Java基础知识之类加载机制

╰+哭是因爲堅強的太久メ 2023-07-23 03:42 14阅读 0赞

***一.JVM和类:***  
运行Java: java 带有main方法的类名  
启动JVM,并加载字节码.

当调用java命令来运行某个Java程序时,该命令将会启动一个JVM进程.同一个JVM中的所有线程,变量都处于同一个进程中,共享该JVM的内存区域.  
当出现以下情况是,JVM会退出:  
1):程序正常执行结束.  
2):使用System.exit(0)方法;  
3):出现异常时,没有捕获异常.  
4):平台强制结束JVM进程.

JVM进程一旦结束,该进程中内存中的数据将会丢失.

**二.类加载的时机:**  
**隐式加载 new 创建类的实例,  
显式加载：loaderClass,forName等  
访问类的静态变量，或者为静态变量赋值  
调用类的静态方法  
使用反射方式创建某个类或者接口对象的Class对象。  
初始化某个类的子类  
直接使用java.exe命令来运行某个主类**

**三.类加载的过程:**![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTU4ODc1MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTU4ODc1MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
**(一)加载:**  
1.加载,就是查找字节流，并且据此生成一个代表这个类的java.lang.Class对象的过程。注意这里字节流不一定非得要从一个Class文件获取，这里既可以从ZIP包中读取（比如从jar包和war包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理），也可以由其它文件生成（比如将JSP文件转换成对应的Class类）。加载的信息存储在JVM的方法区。

2.对于数组类来说，它并没有对应的字节流，而是由Java虚拟机直接生成的。对于其它的类来说，Java虚拟机则需要借助类加载器来完成查找字节流的过程。

3.类加载器有两种，一种是**启动类加载器**，其它的类加载器都是java.lang.**ClassLoader**的子类。启动类加载器是由C++实现的，没有对应的Java对象，因此在Java中只能用null代替。除了启动类加载器之外，另外两个重要的类加载器是**扩展类加载器和应用类加载器，均由Java核心类库提供**。 启动类加载器加载最为基础，最为重要的类，如JRE的lib目录下jar包中的类；扩展类加载器的父类是启动类加载器，它负责加载相对次要，但又通用的类，如JRE的lib/ext目录下jar包中的类；应用类加载器的父类加载器则是扩展类加载器，它负责加载应用程序路径下的类。

4.JVM通过双亲委派模型进行类的加载，当然我们也可以通过继承java.lang.ClassLoader实现自定义的类加载器。当一个类加载器收到类加载任务，会先交给其父类加载器去完成，因此最终加载任务都会传递到顶层的启动类加载器，只有当父类加载器无法完成加载任务时，才会尝试执行加载任务。  
采用双亲委派的一个好处是比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object，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，这样就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。

**(二).链接**  
链接，是指将创建成的类合并至Java虚拟机中，使之能够执行的过程。它分为验证，准备和解析三个阶段。  
1.验证  
该阶段的目的在于确保被加载类能够满足Java虚拟机的约束条件。

2.准备  
该阶段的目的是为被加载类的静态字段分配内存，即在方法区中分配这些变量所使用的内存空间。Java代码中对静态字段的具体初始化，则会在稍后的初始化阶段中进行。

3.解析  
在class文件被加载至Java虚拟机前，这个类无法知道其它类及其方法，字段所对应的具体地址。甚至不知道自己方法，字段的地址。因此，每当需要引用这些成员时，  
Java编译器会生成一个符号引用。在运行阶段，这个符号引用一般能够无歧义地定位到具体目标上。解析阶段的目的，正是将这些符号引用解析为实际引用。如果符号引用  
指向一个未被加载的类，或者未被加载类的字段或方法，那么解析将触发这个类的加载。

**(三)：初始化**  
1.初始化阶段是类加载最后一个阶段，前面的类加载阶段之后，除了在加载阶段可以自定义类加载器以外，其它操作都由JVM主导。到了初始阶段，才开始真正执行类中定义的Java程序代码。

2.在 Java 代码中，如果要初始化一个静态字段，我们可以在声明时直接赋值，也可以在静态代码块中对其赋值。  
如果直接赋值的静态字段被 final 所修饰，并且它的类型是基本类型或字符串时，那么该字段便会被 Java 编译器标记成常量值（ConstantValue），其初始化直接由 Java 虚拟机完成。除此之外的直接赋值操作，以及所有静态代码块中的代码，则会被 Java 编译器置于同一方法中，并把它命名为 < clinit >。  
类加载的最后一步是初始化，便是为标记为常量值的字段赋值，以及执行 < clinit > 方法的过程。Java 虚拟机会通过加锁来确保类的 < clinit > 方法仅被执行一次。  
只有当初始化完成之后，类才正式成为可执行的状态。

3.JVM 规范枚举类的初始化被触发的情况：

a.当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类；  
b.当遇到用以新建目标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的目标类；  
c.当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；  
d.当遇到访问静态字段的指令时，初始化该静态字段所在的类；  
e.子类的初始化会触发父类的初始化；  
f.如果一个接口定义了 default 方法，那么直接实现或者间接实现该接口的类的初始化，会触发该接口的初始化；  
j.使用反射 API 对某个类进行反射调用时，初始化这个类；  
h.当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的方法所在的类。

**四.面试题:  
(1)forName和loaderClass区别?**  
Class.forName()得到的class是已经初始化完成的。  
Classloader.loaderClass得到的class是还没有链接()验证，准备，解析三个过程被称为链接)的。

**(2)双亲委派的工作原理?**  
如果一个类收到了类加载的请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类加载器去执行，如果父类加载器还存在父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最后到达顶层的启动类加载器，如果弗雷能够完成类的加载任务，就会成功返回，倘若父类加载器无法完成任务，子类加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。就是每个儿子都很懒，遇到类加载的活都给它爸爸干，直到爸爸说我也做不来的时候，儿子才会想办法自己去加载。

**(3).双亲委派的优势?**  
采用双亲委派模式的好处就是Java类随着它的类加载器一起具备一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关系可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，就没有必要子类加载器（ClassLoader）再加载一次。其次是考虑到安全因素，Java核心API中定义类型不会被随意替换，假设通过网路传递一个名为java.lang.Integer的类，通过双亲委派的的模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心Java API发现这个名字类，发现该类已经被加载，并不会重新加载网络传递过来的java.lang.Integer.而之际返回已经加载过的Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。可能你会想，如果我们在calsspath路径下自定义一个名为java.lang.SingInteger?该类并不存在java.lang中，经过双亲委托模式，传递到启动类加载器中，由于父类加载器路径下并没有该类，所以不会加载，将反向委托给子类加载器，最终会通过系统类加载器加载该类，但是这样做是不允许的，因为java.lang是核心的API包，需要访问权限，强制加载将会报出如下异常。

java.lang.SecurityException:Prohibited package name: java.lang

**(4)描述一下对象的创建过程?**  
当虚拟机遇到一个new的指令的时候，首先去检查这个指令是否能在常量池中定位到一个类的符号引用，并检查这个符号引用代表的类是否已经被加载，解析和初始化过。如果没有则执行相应初始化的过程。在类加载检查通过后，接下来虚拟机将为新生对象分配内存，对象所需要的内存的大小在类加载完成后便可以完成确定。内存分配完成以后，虚拟机需要将分配的内存空间都初始化为零值，保证了对象的实例字段在Java代码中可以不赋予初值就直接使用，程序能访问到这些字段的数据类型对应的零值。再接下来对象需要进行必要的设置，这个对象是哪个类的实例，如何才能找到这个类的元数据信息，如何找到对象的哈希码，对象的GC分带年龄。  
Java堆如果是规整的采取：指针碰撞，  
Java堆如果不是规整的话：空闲列表，在内存中直接分配一个足够大的内存空间划分给对象。  
对象创建是非常平凡的，在多线程的程序中会产生线程安全的问题，所以解决这个问题有两种方式  
使用CSA配上失败重试的方式来保证原子性  
内存分配动作按照线程划分在不同的空间之中进行，即每个线程在java堆中预先分配一个小块的内存成为本地分配缓冲，TLAB,哪个线程需要分配内存就在哪个线程的TALB上分配，只有在TALB用完之后才会重新分配新的TALB的时候才会同步锁定。

**(5).对象的内存布局?**  
对象的内存布局一般分为三个部分：对象头，示例数据，对齐填充  
对象头中存放着对象自身的运行时数据，如哈希码，GC分带年龄，锁状态标志，偏向线程ID，线程持有的锁。  
对象头另外一部分还有类型指针，对象指向它类元数据的指针，虚拟机通过这个指针来确定这个对象是哪个类的实例。如果对象是一个java数组，那在对象头中还必须用一块用于记录数组长度的数据。因为虚拟机可以通过普通java对象的元数据信息确定java对象的大小。

**(6).对象的访问定位方式?**  
句柄和直接指针  
如果使用句柄的话，要在java堆中开辟一个句柄池，用来存放句柄地址，句柄地址中包含对象实例数据（堆）和类型数据（方法区）各自的地址信息。  
是用句柄的好处就是引用中存储的是稳定的句柄地址，当被移动时只会修改句柄中的实例数据指针，而引用地址不会被改变。  
使用直接指针访问方式的最大好处就是速度更快，它节省了一次访问指针定位的时间开销，引用直接指向存放实例数据的堆内存，在该内存中存放着指向方法区的类型数据地址。

**五.总结:**  
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