JVM-如何快速掌握JVM类的加载机制(JVM虚拟机类的加载机制)

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在Java的世界中，JVM（Java虚拟机）是实现跨平台运行的关键技术。JVM不仅负责执行Java程序，还管理着程序运行时的内存分配、垃圾回收以及类加载等核心功能。本文将深入探讨JVM中类加载机制的奥秘。




类加载的时机

在Java程序运行期间，类加载器会在需要的时候加载类。这种加载时机通常发生在以下情况：

  1. 主动引用：当程序首次通过名称来引用类的任何字段、方法或者构造器时。
  2. 被动引用：在主动引用的情况下，如果一个类依赖于其他类，那么这些依赖的类也会被加载。比如所依赖的第三方jar包中类。

类加载的过程

类加载过程大致可以分为三个主要阶段：加载（Loading）、链接（Linking）和初始化（Initialization）。



1.加载阶段

加载阶段是类加载过程的第一步，主要完成以下工作：

  • 读取二进制字节流：JVM通过类加载器从文件系统、网络或其他来源读取类的二进制字节流。
  • 生成Class对象：将字节流转换成Class对象，这个对象代表了这个类在JVM中的一个类定义。

2.链接阶段

链接阶段是将加载的类与JVM中的其他类合并的过程，包括以下三个子阶段：

  1. 验证：确保加载的类信息符合JVM规范，没有安全问题。
  2. 准备：为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值。
  3. 解析：将类的二进制数据中的符号引用转换为直接引用。

3.初始化阶段

初始化阶段是类加载过程的最后一步，主要任务是执行类的构造器方法 <clinit>()，为类的静态变量赋予正确的初始值。

类加载器

JVM提供了一个分层的类加载器架构，主要包括以下几类：

1.Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）：

  • 职责：负责加载Java核心类库，也就是 JAVA_HOME/jre/lib目录下，或者被 -Xbootclasspath参数指定的路径中的类。这些类是Java运行时的基石，如 java.lang.Object等。
  • 特点：这个类加载器不是用Java语言实现的，而是直接用C++语言实现的，嵌入在JVM内部。

2.Extension ClassLoader（扩展类加载器）：

  • 职责：负责加载 JAVA_HOME/jre/lib/ext目录或者由系统属性 java.ext.dirs指定位置中的类库。这些类库通常是Java的扩展类库，比如 javax.*等。
  • 特点：扩展类加载器是由Java语言实现的，继承自ClassLoader类。

3.Application ClassLoader（应用程序类加载器）：

  • 职责：也称为系统类加载器，负责加载环境变量 classpath或系统属性 java.class.path指定路径下的类库。大多数情况下，开发人员开发的应用程序类都是由这个类加载器加载的。
  • 特点：应用程序类加载器同样是由Java语言实现的，继承自ClassLoader类，开发者可以直接使用或扩展此类。

4.User ClassLoader（用户自定义类加载器）：

  • 职责：用户自定义类加载器不是JVM自带的，而是由开发者根据需要自定义的类加载器。它们继承自ClassLoader类，并重写 findClass、 loadClass等方法。
  • 特点：用户自定义类加载器可以控制类的加载过程，实现个性化的加载机制，比如从特定的文件系统、网络或其他资源中加载类。

类加载机制的双亲委派模型

JVM采用双亲委派模型来管理类加载器之间的交互。当一个类加载器尝试加载一个类时，它会首先委托给父类加载器去完成这个请求。如果父类加载器能够完成类加载任务，就成功返回；如果父类加载器无法完成，子类加载器才会尝试自己去加载。

这种模型的好处是：

  • 避免类的多次加载：确保一个类在JVM中只被加载一次。
  • 提供了一种安全机制：防止核心API库被随意篡改。

示例

1. 加载Java核心类库

场景：当应用程序需要使用Java的核心类库，如 java.lang.String。

类加载器：Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）。

过程：

    • 应用程序代码尝试使用 java.lang.String类。
    • JVM首先检查是否已经加载了这个类。
    • 如果未加载，JVM会委托Bootstrap ClassLoader去加载这个类。
    • Bootstrap ClassLoader负责从JRE的核心库中加载 java.lang.String类。

2. 加载扩展库中的类

场景：应用程序需要使用Java的扩展库，如 javax.swing.JButton。

类加载器：Extension ClassLoader（扩展类加载器）。

过程：

    • 应用程序代码尝试使用 javax.swing.JButton类。
    • JVM检查是否已经加载了这个类。
    • 如果未加载，JVM会委托Extension ClassLoader去加载这个类。
    • Extension ClassLoader负责从JRE的扩展目录（如 JAVA_HOME/jre/lib/ext）中加载 javax.swing.JButton类。

3. 加载应用程序类路径中的类

场景：应用程序需要加载自己编写的类，如 com.example.MyClass。

类加载器：Application ClassLoader（应用程序类加载器）。

过程：

    • 应用程序代码尝试使用 com.example.MyClass类。
    • JVM检查是否已经加载了这个类。
    • 如果未加载，JVM会委托Application ClassLoader去加载这个类。
    • Application ClassLoader负责从应用程序的类路径（由系统属性 java.class.path指定）中加载 com.example.MyClass类。

4. 加载应用程序类路径中的jar包中的类

场景：应用程序需要加载自己编写的类依赖的jar包，如 MyJar.jar。

类加载器：Application ClassLoader（应用程序类加载器）。

过程：

    • 应用程序代码尝试使用 com.example.MyClass类。
    • com.example.MyClass 类依赖于第三方JAR包中的类，
    • JVM检查是否已经加载了依赖的这个类
    • 如果未加载，JVM会委托Application ClassLoader去这个第三方JAR包中的类。
    • 如果第三方JAR包中的类全部加载完毕，JVM检查是否已经加载了这个类 com.example.MyClass
    • 如果未加载，JVM会委托Application ClassLoader去加载这个类。
    • Application ClassLoader负责从应用程序的类路径（由系统属性 java.class.path指定）中加载 com.example.MyClass类。

总结

JVM的类加载机制是Java程序能够顺利运行的基础。理解这一机制不仅有助于我们更好地编写和维护Java程序，还能帮助我们解决运行时遇到的各种类加载问题。

参考:《深入理解Java虚拟机》



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