JVM 虚拟机&&类加载(一)

虚拟机

虚拟机简介

Java 虚拟机（JVM）是运行java程序的抽象计算机，它是计算机设备的规范，可以采用不同方式进行实现，java 程序通过运行在JVM中实现跨平台，一次编译到处运行，不同的操作系统有不同的JDK版本，通过调用JNI方法去实现调用不同操作系统的方法

graph LR
A[java源文件]
B[class二进制字节码]
C[JVM]
D((Java native接口))
F[windows本地方法]
H[linux本地方法]
I[macOS本地方法]
A-.编译.->B
B-.加载.->C
C-.打开文件.->D
D-.windows-JDK.->F
D-.linux-JDK.->H
D-.macOS-JDK.->I

Java虚拟机不和包括java的语言绑定，它只和Class文件这种特定的二进制文件格式绑定，class文件中包含了虚拟机指令集和符号表以及若干其他辅信息。

graph LR
A[java程序]
B[JRuby程序]
C[Groovy程序]
D[java编译器]
E[JRuby编译器]
F[Groovy编译器]
H[字节码]
I[Java虚拟机]
A-.*.java文件.->D
B-.*.rb文件.->E
C-.*.groovy文件.->F
D-->H
E-->H
F-->H
H-.*.class文件.->I

虚拟机产品

1. Sun HotSpot（JVM）
2. BEA JRocket
3. IBM J9
4. Microsoft JVM
5. Google Android Dalvik

Class 文件

Class文件是以8位字节基础单位的二进制流，各项数据严格按照顺序排列在class文件中，中间没有任何分隔符，如果超过8位，是按照高位在前的方式存储的。

Class文件的组成

1. java虚拟机指令集
2. 符号表
3. 其他辅助信息

常量池

java代码在编译后，Class文件并表不会保存各个方法，字段在内存里面的最终布局，因为在编译期间并不知道引用类的实际地址，因此只能使用符号描述来代替，当虚拟机真正的运行的时候，需要从class文件的常量池获得对应的符号引用，然后在类的创建或者运行时解析称具体的内存地址

也就是说在类被加载的时候，一定是在内存中分配了具体的地址，这样在解析的时候就可以替换符号引用成真正的地址。

Class文件的常量池主要存放2大类型：

• 字面量 字面量是接近java语言层面的常量概念，如文本字符串，声明final的常量值等
• 符号引用 主要包括类和接口的全称限定名，字段的名称和描述符，方法的名称和描述符

虚拟机类加载

类加载到JVM中生命空间

graph LR
A[加载Loading]
B[验证Verification]
C[准备Preparation]
D[解析Resolution]
E[初始化Initialization]
F[使用Using]
G[卸载Unloading]
A-->B
D-->E
E-->F
F-->G
subgraph 连接
B-->C
C-->D
end

加载

加载的过程做的事情是：

• 获取二进制字节流
• 静态存储结构转化为方法区的运行时结数据结构
• 在java堆对象里面生成一个类对象，作为方法区的入口

Java中获取二进制字节流的途径有

• 从Zip,Jar,War等格式文件中获取
• 从网络中获取 Applet应用
• 运行时计算生成，动态代理技术
• JSP应用生成对应的Class类

验证

验证是连接的第一步，要确保Class文件中的字节流包含的信息符合JVM的要求，验证阶段大体分为如下几个阶段

• 文件格式验证 验证文件标识是否正确，版本号是否能匹配当前JVM，常量池中的常量是否有不支持的类型等 。经过这个阶段的验证后，字节流才会进入的方法区中进行存储，后面的验证只是基于方法区的存储结构验证，不会在验证字节流
• 元数据验证 主要是对字节码描述的语义进行分析，保证符号java语言的规范，类的继承，抽象类的实现等等
• 字节码验证
• 符号引用验证 该阶段发生在符号引用替换成直接引用时，验证符号引用的匹配校验等等

准备

准备阶段是为了给类分配内存并设置类变量的初始化Clint，这些变量使用的内存，都在方法区中进行分配，只是对类变量进行内存分配（Static 修饰的）不包括实例变量，实例变量是随着类实例化后一起在堆中分配的

：类的初始化 父静态变量 父类静态块 子类静态变量 子类的静态块

: 对象的初始化 父类的变量初始化，父类的构造函数。。。。。。

解析

解析的目的是将常量池中的符号引用替换为直接引用

字段的解析

class A extends B implements C{
    private String str; //字段的解析
}

graph TB
A{A是否能匹配}
B{B是否能匹配}
C{C是否能匹配}
A-->|是|E[结束]
A-->|否|C
subgraph 接口
C-->|是|F(结束)
end
subgraph 父类
C-->|否|B
B-->|是|I(结束)
B-->|否|J((抛出异常))
end

类方法解析

• 先查找本类
• 然后父类中递归查找
• 在类实现的接口列表及它们的父接口

接口方法解析

• 先查找本接口
• 在接口的父接口中递归查找

类加载器

通过类的全限定名来获取描述类的二进制字节流，把类加载这个阶段中的动作放到虚拟机外部去实现，以便应用程序能够自己决定如果去获取自己需要的类，实现这个动作加做类加载器。

Java中有abstract class ClassLoader 类。

ClassLoader.loadClass类的核心总结是：

• 同一个时间只能允许一个线程去加载类
• 在加载类之前会检查下是否已经加载过，只有没有被加载的才能去被加载
• 能父加载器加载的绝不会交给子加载器去加载，为什么要这样，是为了保证安全，比如你自己写个相同名字的java底层类比如java.util.ArrayList通过子加载器到内存中，那不是乱套了么，到时候植入个病毒代码，用的人 不GG了
• 父加载器加载不到的才会交给子加载器加载

加载器类型

从JVM的角度去看 只存在2中类加载器，一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）是由C++语言实现的。还有一种是另外的类加载器，是由java语言实现的，独立于JVM,全部是继承了java.lang.ClassLoader

如果从我们开发角度去看，分为3中类加载器：

• Bootstrap ClassLoader启动类加载器，负责Java_Home/lib 下面的类库加载到内存中，由于这边涉及到虚拟机本地的实现细节，所有我们开发者无法获取到类加载器的引用。
• Extension ClassLoader 扩展类加载器 负责加载Java_Home/lib/ext或者由系统变量java.ext.dirs指定位置的类加载到内存中

//Launcher.class文件中
static class ExtClassLoader extends URLClassLoader {
        private static volatile Launcher.ExtClassLoader instance;
        public static Launcher.ExtClassLoader getExtClassLoader() throws IOException {
            if (instance == null) {
                Class var0 = Launcher.ExtClassLoader.class;
                synchronized(Launcher.ExtClassLoader.class) {
                    if (instance == null) {
                        instance = createExtClassLoader();
                    }
                }
            }
            return instance;
        }
     ....
}

• Application ClassLoader 应用程序类鸡加载器，它负责系统路径ClassPath中指定的类库加载到内存中，这个类加载器是
  
  ClassLoader类中的getSystemClassLoader静态方法的返回值

 //java/lang/ClassLoader.java 文件中
 public static ClassLoader getSystemClassLoader() {
        initSystemClassLoader();
        if (scl == null) {
            return null;
        }
        SecurityManager sm = System.getSecurityManager();
        if (sm != null) {
            checkClassLoaderPermission(scl, Reflection.getCallerClass());
        }
        return scl;
    }

graph BT
A[Bootstrap加载器]
B[ExtClassLoader]
C[AppClassLoader]
D[UseClassLoader1]
F[UseClassLoader2]
B --> A
subgraph 非JVM
C --> B
D --> C
F --> C
end

有兴趣的可以自己执行看下

String appClassLoaderPath = System.getProperty("java.class.path");
System.out.println(appClassLoaderPath);
String extClassLoaderPath = System.getProperty("java.ext.dirs");
System.out.println(extClassLoaderPath);
String bootClassLoaderPath = System.getProperty("sun.boot.class.path");
System.out.println(bootClassLoaderPath);

双亲委派

什么是双亲委派

• 如果一个类加载器收到了某个类的加载请求，则该加载器不会加载，而是把这个请求抛给父类加载器，因此所有的类加载请求都会到达顶端的类加载器
• 只有当父类加载器在其范围内没法找到所需要类，才会把结果反馈给子加载器，子加载器在尝试自己加载

如何打断

自己写个类加载器 并重写loadClass方法 就可以了！

为什么要使用双亲委派

• 对任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。判断两个类是否"相等"，必须是在这两个类被同一个类加载器加载的前提下。
• 基于双亲委派模型设计，那么Java中基础类，如Object类重复多次的问题就不会存在了，因为经过层层传递，加载请求最终都会被BootstrapClassLoader所响应。加载的Object类也会只有一个，否则如果用户自己编写了一个java.lang.Object类，并把它放到了ClassPath中，会出现很多个Object类，这样Java类型体系中最最基础的行为都无法保证，应用程序也将一片混乱。