我把JVM的類載入器整理了一下
- 2020 年 7 月 22 日
- 筆記
前言
之前去面試的時候面試官問了我關於關於JVM性能調優的問題，由於自己之前公司的項目里自己沒有接觸到JVM性能調優的相關問題（感覺這些都是公司架構師考慮的問題），所有面試官問的時候自己一臉懵逼，所有最後的結果當然是涼涼。。，於是，為了查漏補缺，就去學習了一下JVM的相關知識，希望能幫助到大家。
正文
在學習任何一項新的知識之前，我都會先列出一份學習大綱，然後按照這個學習大綱一步一步的來學習了解，所以學習JVM這個新的技術，我也分為了3個板塊來學習：JVM類載入器，JVM記憶體結構，JVM垃圾回收這三個板塊來學習，今天這篇文章講的是JVM類載入器。
1、什麼是JVM
既然是學習關於JVM的相關理論知識，我們當然得知道什麼是JVM。JVM是Java Virtual Machine（Java虛擬機）的縮寫。既然說到虛擬機，可能又會有人問什麼是虛擬機了，我這裡把虛擬機得相關概念放在這裡：
虛擬機：就是一台虛擬的電腦，他是一款軟體；用來執行一系列電腦指令。虛擬機可以分為系統虛擬機和程式虛擬機。
-
系統虛擬機：比如VMware，他們完全是對物理電腦的模擬，提供了一個可運行完整作業系統的軟體平台。
-
程式虛擬機：比如Java虛擬機，它專門為執行單個電腦程式而設計。在Java虛擬機中執行的 指令我們稱為Java位元組碼指令。（JVM是運行在作業系統之上的，它與硬體沒有直接的交互）
所以根據定義，我們可以得知JVM是程式虛擬機。那麼JVM在哪裡呢，其實，我們在最開始學習Java得時候，都必須按照Java得運行環境，從網上下載JDK安裝包，安裝完成之後，在安裝路徑下會有兩個文件夾，一個叫Jdk，一個叫jre,而java虛擬機就在jre的文件夾裡面。
存在即有他存在的道理，那麼JVM的存在有什麼用呢？他是用來幹嘛的呢？學過JAVA的都知道，java程式要想運行，Java源程式（.java）要先編譯成與平台無關的位元組碼文件(.class)，然後位元組碼文件再解釋成機器碼運行。而解釋得這個過程就是通過Java虛擬機來執行的（可以參考下面這張圖理解）。java虛擬機是來解釋位元組碼文件的，而解釋得這個過程其實是一個很複雜得過程，所以這就到了我們今天要講得主題了。
2、類載入（classLoading）
我們先來了解一下類載入得整個過程。從下圖可以看到類的生命周期一共分為5個階段，載入、連接（包括驗證、準備和解析）、初始化、使用（類得實例化）、卸載（垃圾回收）。
在Java程式碼中，我們都知道類（指的是類本身Class，比如,Interface,Enum）的載入、連接、初始化過程都是在程式運行期間完成的。下面我們就先講一下類得載入、連接和初始化。
類的載入：最常見的一種情況是將已存在的類的Class文件（也就是位元組碼文件）從磁碟上面載入到記憶體裡面，將其放在運行時數據區的方法區中，然後在記憶體中創建一個java.lang.Class對象用來封裝類在方法區中的數據結構
類的連接（又細分了三個階段）：
1、驗證：確保被載入類的正確性
2、準備：為類的靜態變數（也可以稱為類變數）分配記憶體，並將其初始化為默認值（比如int 的默認值就是0）
3、解析：將類中的符號引用轉換為直接引用
類的初始化：為類的靜態變數進行賦值（從程式碼從上到下執行）
Java程式對類的使用方式可分為兩種：
-
主動使用
-
被動使用
所有的Java虛擬機實現，在每個類或介面被Java程式”首次主動使用”時才初始化他們，一定要記住，是首次並且還是主動使用得時候才會初始化類。
如果對其類或者介面主動使用導致初始化了（此時的初始化就說明載入、連接（連接的三個步驟，注意，此時的連接只完成類的靜態變數分配記憶體，並將其初始化為默認值）已經完成了）
我這裡總結了7種主動使用：
——創建類的實例
——訪問某個類或介面的靜態變數，或者對該靜態變數賦值
——調用類的靜態方法
——反射（如class.forName()）
——初始化一個類的子類
——Java虛擬機啟動時被表明為啟動類的類
——JDK1.7開始提高的動態語言支援；
除了以上7種情況，其他使用Java類的方式都被看做是對類的被動使用，都不會導致類的初始化。
3、類的載入連接初始化詳細講解
其實我們知道類的載入的最終產品是位於記憶體中的Class對象，Class對象封裝了類在方法區內的數據結構，並且向Java程式設計師提供了訪問方法區內的數據結構的介面。
根據以上的總結，我們知道類的連接其實就是當類被載入後，就進入連接階段。連接就是將已經讀入到記憶體的類的二進位數據合併到虛擬機的運行環境中去。那麼類的驗證的內容有哪些呢？
-
類文件的結構檢查
-
語義檢查
-
位元組碼驗證
-
二進位兼容性的驗證
4、類載入器
類的載入其實是類載入器去完成的，我們可以把類載入器想像成一個小人，幫助JVM幹活的。那麼類載入器的定義是什麼呢，這裡按照我個人的理解總結了一下：
類載入器（classLoader）：類載入器是用來把類載入到Java虛擬機的記憶體空間中（載入類的工具，類一定是由類載入器去載入）。從JDK1.2版本開始，類的載入過程採用雙親委託機制。這種機制能更好的保證Java平台的安全。在此委託機制中，除了Java虛擬機自帶的根類載入器之外（因為根類載入器本身是沒有父載入器的），其餘的類載入器都有且只有一個父載入器。當Java程式請求載入器loader1載入Sample類時，loader1首先委託自己的父載入器去載入Sample類，若父載入器能載入，則由父載入器完成載入任務，否則才有載入器loader1本身載入Sample類。
類載入器分為兩種類型：
1、Java虛擬機自帶的載入器
- 根類載入器（BootstrapClassLoader），也稱啟動類載入器
- 擴展類載入器（ExtensionClassLoader）
- 系統（應用）類載入器（SystemClassLoader或者AppClassLoader）
2、用戶自定義的類載入器
- java.lang.ClassLoader的子類（所有用戶自定義的類載入器都應該繼承抽象類ClassLoader類）
- 用戶可以訂製類的載入方式
類載入器並不需要等到某個類被」首次主動使用「時再載入它
5、類載入器雙親委託機制詳解
這一小節我們來詳細了解一下類載入器的雙親委託機制。父親委託機制也稱為雙親委託機制（我個人得理解實際上應該叫做父親委託機制，因為在源碼裡面是parent而不是parents）：在父親委託機制中，各個載入器按照父子關係形成了熟悉結構（邏輯上的，比如下圖），除了啟動類載入器之外，其餘的類載入器都有且只有一個父載入器。
以下幾種載入器從表面看是繼承關係，實際上是包含關係哦
我舉例來看看父親委託機制的實際執行：
對上圖執行流程我詳細得解釋一下類載入器父親委託機制具體是怎麼執行得：首先loader1和loader2是我們自定義的載入器，loader1嘗試去載入Sample類，根據父親委託機制，其實並不是由loader1去直接載入Sample類到虛擬機當中，相反，它是把這個載入任務轉交給系統類載入器去完成，系統類載入器再把這個載入任務轉交給擴展類載入器，然後擴展類載入器再轉交給根類載入器去完成，由於根類載入器已經是類載入器體系層次的最頂層，所以根類載入器會嘗試去Sample類到虛擬機當中（然後根類載入器不能載入，因為他是從特定的幾個目錄去載入），既然根類載入器無法完成載入，他就會把這個任務返回給擴展類載入器（同理，原則上也不能載入），再讓系統類載入器去載入（一般是可以載入成功）。最終再把這個流程返回給loader1,就宣告類載入過程結束。
6、獲取類載入器的幾種途徑
既然我們了解了類載入器的種類，那我們也需要了解通過什麼方式可以獲取到類載入器，獲取類載入器的方式我這裡總結了4種方式：
第一種：獲得當前類的ClassLoader：
clazz.getClassLoder()
具體實現如下所示：
Class<?> clazz1 = Class.forName("java.lang.String");
System.out.println(clazz1.getClassLoader());
第二種：獲得當前執行緒上下文的ClassLoader：
Thread.currentThread().getContextClassLoader();
具體實現如下所示：
ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println(contextClassLoader);
第三種：獲得系統ClassLoader：
ClassLoader.getSystemClassLoader();
第四種：獲得調用者的ClassLoader
DriverManager.getCallerLoader()
我們還需要知道其實數組並不是由類載入器載入創建的的，而是當被需要時，被jvm運行時自動創建的，對於數組來說，他的類載入器是和他元素的類型的類載入一樣的，如果元素類型是基本類型，則數組沒有類載入器
ClassLoader類本身默認是並行載入的的（parallel capable），如果子類想支援並行載入，是需要自己註冊的，用戶自定義載入器若需要並行載入，需要自行配置，通過調用registerAsParallelCapable()
7、總結
通過以上得相關總結，我們其實可以發現，JVM學習並不是像spring,springcloud都是應用框架，是可以馬上做東西的，立竿見影，可以馬上看到效果，JVM不是這樣的，涉及到了很多理論。很多同學可能覺得不重要，感覺學了也沒有，其實不然，就像練武一樣，只有你的內功修鍊好了，再去練其他的招式就會很容易，才會精益求精，而JVM就相當於內功，所以可想而知，對於JVM的學習，顯然是很重要的。以上就是我對JVM類載入器相關總結，下一篇文章應該是推出關於結合java源碼理解類載入器得相關內容，當然後續也會推出JVM其他板塊相關知識得相關總結。
公眾號：良許Linux
