【JVM第2課】類載入子系統（類載入器、雙親委派）

救苦救难韩天尊發表於2024-10-29
JVM

類載入系統載入類時分為三個步驟，載入、連結、初始化，下面展開介紹。

類載入子系統結構圖：

1 類載入器

JVM 使用類載入器載入 class 檔案，類載入器可分為引導類載入器和自定義類載入器兩種。

引導類載入器（Bootstrap ClassLoader），有時也被稱作啟動類載入器或者零類載入器（Null ClassLoader），是 Java 虛擬機器中最基礎的類載入器之一。它的主要職責是載入 Java 核心類庫。

自定義類載入器需要繼承自 ClassLoader 類，JDK 預設提供了一些。比較重要的有兩個，擴充類載入器（ExtClassLoader） 和應用類載入器（AppClassLoader） 。

下面展開說說這三個載入器的作用、區別以及聯絡。先看一張圖：

1.1 引導類載入器（BootStrapClassLoader）

特點：

  1. 內部實現：引導類載入器並不是透過 Java 程式碼實現的，而是用 C++ 或者其他本地語言編寫的，並且是 JVM 的一部分。
  2. 載入路徑：引導類載入器通常從 $JAVA_HOME/jre/lib/ 或類似的位置載入 Java 核心類。
  3. 無父類載入器：引導類載入器沒有顯式的父類載入器，這是因為它的設計目的是為了載入 Java 最基礎的類庫，而這些類庫是任何其他類載入器工作的前提。因此，它不需要依賴於任何其他類載入器。
  4. 不可見性：引導類載入器並不是對所有 Java 應用程式都可見的，因為它是 JVM 的一部分，而不是標準的 Java 類載入器層次結構的一部分。
  5. 優先順序：引導類載入器通常是整個類載入過程的第一步，當 Java 應用程式啟動時，它會首先載入必要的核心類庫，然後才允許後續的類載入器（如擴充套件類載入器和應用類載入器）開始工作。

1.2 擴充類載入器（ExtClassLoader）

特點：

  1. 內部實現：ExtClassLoader是在sun.misc.Launcher類裡的靜態內部類，繼承自 ClassLoader 類，重寫 loadClass() 方法。
  2. 載入路徑：ExtClassLoader 主要負責載入位於 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目錄下的擴充套件類庫。
  3. 委託模型：ExtClassLoader 遵循 Java 類載入器的委託模型。當它收到一個類載入請求時，它首先會嘗試使用其父類載入器（即 Bootstrap ClassLoader）來載入這個類。如果父類載入器無法載入，則 ExtClassLoader 會嘗試自己載入。
  4. 優先順序：ExtClassLoader 位於 BootstrapClassLoader 之後，但在 AppClassLoader之前。這意味著它繼承了 Bootstrap ClassLoader 的特性，並且它載入的類對 Application ClassLoader 可見。

1.3 應用類載入器（AppClassLoader）

特點：

  1. 內部實現：AppClassLoader也是在sun.misc.Launcher類裡的靜態內部類，繼承自 ClassLoader 類，重寫 loadClass() 方法。
  2. 載入路徑：AppClassLoader主要負責的目錄是當前應用程式的 classpath 所指定的路徑，也就是說我們自己寫的類預設都是透過AppClassLoader載入的。我們在IDEA裡執行程式碼時，仔細觀察控制檯可以發現第一行透過-classpath指定了當前應用程式的class檔案的目錄
  3. 委託模型：AppClassLoader 遵循 Java 類載入器的委託模型。當它收到一個類載入請求時，它首先會嘗試使用其父類載入器 ExtClassLoader來載入這個類。如果父類載入器無法載入，則 AppClassLoader 會嘗試自己載入。
  4. 優先順序：AppClassLoader位於ExtClassLoader 之後。

除了這些特點外，AppClassLoader還有一些別的用途：

  1. 載入第三方 Jar 包：當應用程式依賴於第三方庫時，這些庫通常會被打包成 JAR 包，並放置在類路徑中。AppClassLoader 會載入這些 JAR 包中的類。
  2. 動態載入類：在一些需要動態載入類的場景中，如 Spring Boot 應用程式，AppClassLoader 可以用於動態載入和解除安裝類。

1.4 雙親委派

原因一：前面我們介紹了引導類載入器、擴充類載入器、應用類載入器分別負責不同的路徑下的class檔案，但是並不是完全不相交的，比如-classpath除了指定當前應用程式的class檔案目錄外，也會指定$JAVA_HOME/jre/lib/目錄下的某些 jar 包，所以要避免重複載入某些類。

原因二：如果我們的程式被駭客攻擊了，比如駭客自己建立了一個java.lang的包，裡面建立了一個名為String的類，把這個包和類植入我們正在執行的專案裡，如果他的這個類被載入了，那我們專案裡的String就會被篡改。

為了避免以上兩種原因，我們要保證類只載入一次，並且保證越靠近 JVM 的類載入器優先順序越高。這就是雙親委派乾的事情！！！

原理：

引導類載入器、擴充類載入器、應用類載入器這三者之前有個關係，但又不是父子類關係，而是應用類載入器有個parent屬性是擴充類載入器的物件。擴充類載入器的parent為空，所以會呼叫引導類載入器。我們觀察ClassLoader的loaderClass()方法可以得出類的載入過程：

loadClass()方法

雙親委派機制

簡單來說就是，

透過AppClassLoader載入class時會先用ExtClassLoader去載入這個類；

透過ExtClassLoader載入class時會先用BootStrapClassLoader去載入這個類；

好處：

  • 避免類被重複載入。
  • 防止JVM核心類被篡改。

2 連結

class 載入完後會進行連結，分為三步：驗證、準備、解析。

2.1 驗證

第一步是驗證 class 檔案是否正確，比如驗證格式。

2.2 準備

對 static 修飾的屬性賦予一個預設值，但這一步不會賦初始值。

舉個例子，class 裡定義了一個static int a = 1，準備階段會把 a 賦值為 0，在初始化階段 a 才會 = 1。

2.3 解析

將符號引用解析為直接引用。什麼意思呢？

首先我們需要知道類被載入後是放到方法區的，每個類都是一個 Klass 物件（也可稱為 Klass 結構）。

一般情況下我們都會在一個A類裡使用到別的B類，使用方式是B類的全限定名，就只是一個字串。但是JVM 實際在執行的時候需要從方法區中找到B類的 Klass 物件，解析的作用就是把這個名稱字串替換為實際的 Klass 物件記憶體地址。“符號引用”就是名稱字串、“直接引用”就是 Klass 物件記憶體地址。

3 初始化

初始化是類載入子系統的最後一個階段，也是最為關鍵的階段之一。下面詳細介紹初始化階段的內容及其重要性。

3.1 定義

初始化階段是類載入過程中的最後一個階段，它負責執行類構造器 <clinit> 方法，並初始化類的靜態變數。

3.2 主要任務

初始化階段的主要任務包括：

  • 執行類構造器 <clinit> 方法：<clinit> 方法是一個特殊的靜態構造器，它負責對類進行初始化。每個類都有一個 <clinit> 方法，該方法在類第一次被初始化時由 JVM 自動生成並執行。
  • 初始化類變數：類中的靜態變數（即類變數）在 <clinit> 方法中被賦值。

3.3 <clinit> 方法的特點

  • 靜態塊：在類定義中，靜態程式碼塊會被編譯器轉化為 <clinit> 方法中的語句。
  • 順序執行：如果一個類有多個靜態程式碼塊，它們將按照在原始碼中出現的順序依次執行。
  • 執行緒安全：<clinit> 方法是執行緒安全的，這意味著即使有多個執行緒同時初始化同一個類，也不會發生衝突。

3.4 示例程式碼

下面是一個簡單的示例，展示類的初始化過程：

    public class InitializationExample {
        static {
            System.out.println("執行靜態初始化塊。");
        }

        static int staticVar = initializeStaticVar();

        private static int initializeStaticVar() {
            System.out.println("初始化靜態變數。");
            return 10;
        }

        public static void main(String[] args) {
            System.out.println("靜態變數初始化為: " + staticVar);
        }
    }

輸出如下：

    執行靜態初始化塊。
    初始化靜態變數。
    靜態變數初始化為: 10

3.5 初始化時機

類的初始化通常在以下幾種情況下觸發：

  • 首次建立類的例項：當第一次建立類的例項時，JVM 會初始化該類。
  • 呼叫類的靜態方法：當第一次呼叫類的靜態方法時，JVM 會初始化該類。
  • 引用類的靜態欄位：當第一次引用類的靜態欄位時，JVM 會初始化該類。
  • 反射性引用：當透過 java.lang.Class 或 java.lang.reflect 包中的方法來引用類時，如果這些方法會導致類的初始化，那麼 JVM 會初始化該類。
  • 初始化子類時：當初始化一個類的子類時，如果父類還沒有被初始化，那麼 JVM 會首先初始化父類。

3.6 初始化順序

類的初始化順序遵循一定的規則：

  • 如果類 A 引用了類 B 的靜態欄位或呼叫了類 B 的靜態方法，那麼類 B 必須先於類 A 被初始化。
  • 如果類 A 繼承自類 B，那麼類 B 必須先於類 A 被初始化。

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