Java内存结构概览

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类加载器子系统作用

  • 类加载器子系统负责从文件系统中或网络中加载Class，class文件开头有特定的文件标识
  • ClassLoader只负责class文件的加载，至于是否能运行，由Execution Engine决定
  • 加载的类信息放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还有存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是class文件中常量池部分的内存映射）

    加载过程

    总体过程

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  1. class file存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例。
  2. class file 加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。
  3. 在.class文件 -> JVM -> 最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具(类装载器class Loader)，扮演一个快递员的角色。

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详细过程

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加载(Load)

  1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
  2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
  3. 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

.class文件来源：本地、网络Web Applet、zip、jar、war、运行时计算生成(动态代理)、其他文件生成(jsp)

验证(Verify)

  • 目的在于确保class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全。

  • 主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

    准备(Prepare)

  • 为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。

  • 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化;

  • 这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

    解析(Resolve)

  • 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。

  • 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行。
  • 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《java虚拟机规范》的class文件格式中。
  • 直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

  • 解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等

    初始化

  • 初始化阶段就是执行类构造器方法()的过程。

  • 此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来。
  • 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。()不同于类的构造器。(关联:构造器是虚拟机视角下的() )
  • 若该类具有父类，JVM会保证子类的()执行前，父类的()己经执行完毕。
  • 虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁（即这个方法只会被调用一次，由最先初始化类的那个线程执行，启示：类初始化错误以后，会导致其他初始化线程进入阻塞状态）。

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  • 当没有静态变量或静态代码块时，就没有，只有构造器方法（对应无参构造器）

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类加载器

  • JVM支持两种类型的类加载器，分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器(User-Defined ClassLoader) 。
  • 从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器（Extension Class Loader 和 System Class Loader就派生于Class Loader类）。

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  • 加载器之间是包含关系

    Bootstrap加载器

  • 又称启动类加载器、引导类加载器

  • 这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。
  • 它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/ lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类
  • 并不继承自java. lang.classLoader，没有父加载器。加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。

  • 出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、 javax、sun等开头的类

    扩展类加载器

  • Extension classLoader，Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。派生于classLoader类

  • 父类加载器为启动类加载器

  • 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。

    应用类加载器

  • AppClassLoader，java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppclassLoader实现，派生于classLoader类

  • 父类加载器为扩展类加载器
  • 它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
  • 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载

  • 通过classLoader.getsystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器

    自定义加载器

  • 隔离加载类（主流框架都有，防止同名类冲突）

  • 修改类加载的方式
  • 扩展加载源
  • 防止源码泄露

    ClassLoader常用方法

    | 方法 | 描述 | | —- | —- | | getParent() | 返回该类加载器的超类加载器 | | loadClass(String name) | 加载名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例 | | findClass(String name) | 查找名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例 | | findLoadedClass(String name) | 查找名称为 name的已经被加载过的类，返回结果为java.lang.Class类的实例 | | defineClass(String name,byte[] b,int len) | 把字节数组b中的内容转换为一个Java类,返回结果为java.lang.Class类的实例 | | resolveClass(Class<?c) | 连接指定的一个Java类 |

获取加载器

  • 代码

    1. public class Demo2 {
    2.   public static void main(String[] args) {
    3.       //获取系统类加载器
    4.       ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
    5.       System.out.println(systemClassLoader);
    6.       //获取其上层扩展类加载器
    7.       ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
    8.       System.out.println(extClassLoader);
    9.       //获取引导类加载器
    10.       ClassLoader bootstrapLoader = extClassLoader.getParent();
    11.       System.out.println(bootstrapLoader);
    12.       //自定义类的加载器
    13.       ClassLoader classLoader = Demo2.class.getClassLoader();
    14.       System.out.println(classLoader);
    15.       //尝试获取String类的加载器
    16.       ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
    17.       System.out.println(classLoader1);
    18.   }
    19. }
    1. sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    2. sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
    3. null
    4. sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    5. null

  • 结论：用户自定义类使用系统类加载器进行加载，Java的核心类库都是使用引导类加载器加载（引导类加载器不是由java语言编写，因为获取值为null）

    双亲委派机制

  • Java虚拟机对class文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。

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原理

  1. 如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行
  2. 如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归,请求最终将到达顶层的启动类加载器
  3. 如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

    自定义java.lang.String

    1. public class String {
    2.  public static void main(String[] args) {
    3.      System.out.println("hello");
    4.  }
    5. }

  • 当尝试运行String类的main方法时，报错，因为此时的java.lang.String是系统的String类而不是自定义的String类

    1. 错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
    2.  public static void main(String[] args)
    3. 否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application

    优点

  • 避免类的重复加载

  • 防止核心API被篡改

    沙箱安全机制

  • 沙箱机制就是讲Java代码限定在虚拟机JVM特定的运行范围中，并且严格限制代码对本地资源的访问，通过这样的措施来保证对代码的有效隔离，防止对本地系统造成破坏，沙箱主要限制系统资源访问，例如：CPU、内存、文件系统、网络。不同级别的沙箱对这些资源访问的限制也可以不一样

  • 当前最新的安全机制实现，引入了域（Domain）的概念。虚拟机把所有代码加载到不同的系统域和应用域，系统域部分专门负责与关键资源进行交互。而各个域应用部分则通过系统域的部分代理来对各种需要的资源进行访问。虚拟机中不同的受保护域（Protected Domain），对应不一样的权限（Permission）。存在于不同域中的类文件就具有了当前域的全部权限

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其他

class对象的必要条件

  • 全类名一致
  • 加载类的类加载器也是相同的

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么JVM会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的。

类的主动使用和被动使用

主动使用
  1. 创建类的实例
  2. 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
  3. 调用类的静态方法
  4. 反射(比如:Class.forName ( “com.atguigu. Test”) )
  5. 初始化一个类的子类
  6. Java虚拟机启动时被标明为启动类的类
  7. JDK 7开始提供的动态语言支持:
    • Java虚拟机启动时被标明为启动类的类JDK 7开始提供的动态语言支持:
    • REF_getstatic、REF_putstatic、REF_invokestatic句柄对应的类没有初始化，则初始化
      区别
      除了以上七种情况，其他使用Java类的方式都被看作是对类的被动使用,都不会导致类的初始化。