JVM类加载机制

发布于：2025-05-30 ⋅ 阅读:(21) ⋅ 点赞:(0)

类加载运行全过程

当我们用java命令运行某个类的main函数启动程序时，首先需要通过类加载器把主类加载到
JVM。

package com.tuling.jvm;

public class Math {
    public static final int initData = 666;
    public static User user = new User();

    public int compute() { // 一个方法对应一块栈帧内存区域
        int a = 1;
        int b = 2;
        int c = (a + b) * 10;
        return c;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Math math = new Math();
        math.compute();
    }
}

通过Java命令执行代码的大体流程如下：

其中loadClass的类加载过程有如下几步：

加载 >> 验证 >> 准备 >> 解析 >> 初始化 >> 使用 >> 卸载
加载：在硬盘上查找并通过IO读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如调用类的
main()方法，new对象等等，在加载阶段会在内存中生成一个代表这个类的
java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口
验证：校验字节码文件的正确性
准备：给类的静态变量分配内存，并赋予默认值
解析：将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法(符号引用，比如
main()方法)替换为指向数据所存内存的指针或句柄等(直接引用)，这是所谓的静态链接过
程(类加载期间完成)，动态链接是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用，下
节课会讲到动态链接
初始化：对类的静态变量初始化为指定的值，执行静态代码块

类被加载到方法区中后主要包含 运行时常量池、类型信息、字段信息、方法信息、类加载器的
引用、对应class实例的引用等信息。
类加载器的引用：这个类到类加载器实例的引用
对应class实例的引用：类加载器在加载类信息放到方法区中后，会创建一个对应的Class 类型的
对象实例放到堆(Heap)中, 作为开发人员访问方法区中类定义的入口和切入点。
注意，主类在运行过程中如果使用到其它类，会逐步加载这些类。
jar包或war包里的类不是一次性全部加载的，是使用到时才加载。

public class TestDynamicLoad {
    static {
        System.out.println("*************load TestDynamicLoad************");
    }

    public static void main(String[] args) {
        new A();
        System.out.println("*************load test************");
        B b = null; // B不会加载，除非这里执行 new B()
    }
}

class A {
    static {
        System.out.println("*************load A************");
    }

    public A() {
        System.out.println("*************initial A************");
    }
}

class B {
    static {
        System.out.println("*************load B************");
    }

    public B() {
        System.out.println("*************initial B************");
    }
}

类加载器和双亲委派机制

上面的类加载过程主要是通过类加载器来实现的，Java里有如下几种类加载器
引导类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的核心类库，比如
rt.jar、charsets.jar等
扩展类加载器：负责加载支撑JVM运行的位于JRE的lib目录下的ext扩展目录中的JAR
类包
应用程序类加载器：负责加载ClassPath路径下的类包，主要就是加载你自己写的那
些类
自定义加载器：负责加载用户自定义路径下的类包
看一个类加载器示例：

public class TestJDKClassLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(String.class.getClassLoader());
        System.out.println(com.sun.crypto.provider.DESKeyFactory.class.getClassLoader().getClass().getName());
        System.out.println(TestJDKClassLoader.class.getClassLoader().getClass().getName());

        System.out.println();
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        ClassLoader extClassloader = appClassLoader.getParent();
        ClassLoader bootstrapLoader = extClassloader.getParent();
        System.out.println("the bootstrapLoader : " + bootstrapLoader);
        System.out.println("the extClassloader : " + extClassloader);
        System.out.println("the appClassLoader : " + appClassLoader);

        System.out.println();
        System.out.println("bootstrapLoader加载以下文件：");
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (int i = 0; i < urls.length; i++) {
            System.out.println(urls[i]);
        }

        System.out.println();
        System.out.println("extClassloader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs"));

        System.out.println();
        System.out.println("appClassLoader加载以下文件：");
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

类加载器初始化过程：
参见类运行加载全过程图可知其中会创建JVM启动器实例sun.misc.Launcher。
sun.misc.Launcher初始化使用了单例模式设计，保证一个JVM虚拟机内只有一个
sun.misc.Launcher实例。
在Launcher构造方法内部，其创建了两个类加载器，分别是
sun.misc.Launcher.ExtClassLoader(扩展类加载器)和sun.misc.Launcher.AppClassLoader(应
用类加载器)。
JVM默认使用Launcher的getClassLoader()方法返回的类加载器AppClassLoader的实例加载我们
的应用程序。

// Launcher 的构造方法
public Launcher() {
    Launcher.ExtClassLoader var1;
    try {
        // 构造扩展类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为 null
        var1 = Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader();
    } catch (IOException var10) {
        throw new InternalError("Could not create extension class loader", var10);
    }

    try {
        // 构造应用类加载器，在构造的过程中将其父加载器设置为 ExtClassLoader，
        // Launcher 的 loader 属性值是 AppClassLoader，我们一般都是用这个类加载器来加载我们自己写的应用程序
        this.loader = Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1);
    } catch (IOException var9) {
        throw new InternalError("Could not create application class loader", var9);
    }

    Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader);
    String var2 = System.getProperty("java.security.manager");
    // 省略一些不需关注代码
}

详细解释

  1. 构造扩展类加载器（ExtClassLoader）

    • Launcher.ExtClassLoader.getExtClassLoader()：

      • 这个方法负责创建扩展类加载器（ExtClassLoader）。

      • 扩展类加载器的父加载器被设置为 null，即它直接由 Bootstrap ClassLoader 加载。

      • 如果在创建扩展类加载器时发生 IOException，会抛出 InternalError。

    • 作用：

      • 扩展类加载器负责加载 Java 扩展目录（java.ext.dirs）中的 JAR 文件。这些文件通常包含一些可选的 Java 扩展库。

  2. 构造应用类加载器（AppClassLoader）

    • Launcher.AppClassLoader.getAppClassLoader(var1)：

      • 这个方法负责创建应用类加载器（AppClassLoader）。

      • 应用类加载器的父加载器被设置为扩展类加载器（ExtClassLoader）。

      • 应用类加载器通常用于加载应用程序的类路径（java.class.path）中的类。

      • 如果在创建应用类加载器时发生 IOException，会抛出 InternalError。

    • 作用：

      • 应用类加载器是 Java 应用程序中最常用的类加载器，负责加载用户定义的类和资源。

  3. 设置当前线程的上下文类加载器

    • Thread.currentThread().setContextClassLoader(this.loader)：

      • 将当前线程的上下文类加载器设置为应用类加载器（AppClassLoader）。

      • 这样，当前线程在加载类和资源时会使用应用类加载器。

    • 上下文类加载器的作用：

      • 在多线程环境中，上下文类加载器允许线程访问其父线程的类加载器，从而避免类加载器之间的隔离问题。

  4. 其他代码

    • System.getProperty("java.security.manager")：

      • 获取系统属性 java.security.manager，该属性用于指定 Java 安全管理器。

      • 这部分代码可能与安全策略相关，但具体实现细节在代码中被省略了。

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