通過(guò)實(shí)例解析Java class文件編譯加載過(guò)程
一、Java從編碼到執(zhí)行
首先我們來(lái)看一下Java是如何從編碼到執(zhí)行的呢? 我們有一個(gè)x.java文件通過(guò)執(zhí)行javac命令可以變成x.class文件,當(dāng)我們調(diào)用Java命令的時(shí)候class文件會(huì)被裝載到內(nèi)存中,這個(gè)過(guò)程叫做classloader。一般情況下我們自己寫代碼的時(shí)候會(huì)用到Java的類庫(kù),所以在加載的時(shí)候也會(huì)把Java類庫(kù)相關(guān)的類也加載到內(nèi)存中。裝載完成之后會(huì)調(diào)用字節(jié)碼解釋器和JIT即時(shí)編譯器來(lái)進(jìn)行解釋和編譯,編譯完之后由執(zhí)行引擎開(kāi)始執(zhí)行,執(zhí)行引擎下面對(duì)應(yīng)的就是操作系統(tǒng)硬件了。下圖是大體的流程:

Java叫做跨平臺(tái)的語(yǔ)言,JVM可以稱之為跨語(yǔ)言的平臺(tái);
有個(gè)問(wèn)題:java是解釋執(zhí)行還是編譯執(zhí)行?答:解釋和編譯是可以混合的,特別常用的代碼或則是代碼用到的次數(shù)特別多的時(shí)候,會(huì)把一個(gè)即時(shí)編譯做成本地編譯,這樣會(huì)很大程度上的提高效率。
Java虛擬機(jī)是如何做到這么多語(yǔ)言都可以在上面運(yùn)行,關(guān)鍵在于class文件,任何語(yǔ)言只要能編譯成class文件,并且符合class文件的規(guī)范你就可以放在Java虛擬機(jī)上去運(yùn)行。
二、詳解class文件的加載過(guò)程
接下來(lái)主要講的是一個(gè)class文件是怎么從硬盤上到內(nèi)存中,并開(kāi)始執(zhí)行的。
類加載主要有三個(gè)過(guò)程:loading 、linking 、initializing;其中l(wèi)inking又分為三個(gè)步驟:verification 、preparation 、resolution;

1、首先Loading是什么意思呢?是把一個(gè)class問(wèn)價(jià)load到內(nèi)存中去;
2、接下來(lái)是Linking分為了三小步:
- verification 是用來(lái)校驗(yàn)加載進(jìn)來(lái)的class文件是否符合class文件標(biāo)準(zhǔn),如果不符合直接就會(huì)被拒絕了;
- preparation 是將class文件靜態(tài)變量賦默認(rèn)值而不是初始值,例如static int i =8;這個(gè)步驟并不是將i賦值為8,而是賦值為默認(rèn)值0;
- resolution 是把class文件常量池中用到的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換成直接內(nèi)存地址,可以訪問(wèn)到的內(nèi)容;
3、initializing 成為初始化,靜態(tài)變量在這個(gè)時(shí)候才會(huì)被賦值為初始值;
下面為類加載過(guò)程的簡(jiǎn)化圖:

類加載器的加載過(guò)程是分成不同的層次來(lái)加載的,不同的類加載器來(lái)加載不同的class文件, Bootstrap >Extension>Application>Custom(自定義類加載器)
1、第一個(gè)類加載器的層次為:Bootstrap 稱為啟動(dòng)類加載器,是Java類加載層次中最頂層的類加載器,負(fù)責(zé)加載JDK中的核心類庫(kù)。
2、第二個(gè)類加載器的層次為:Extension 是用來(lái)加載擴(kuò)展類的,主要負(fù)責(zé)加載Java的擴(kuò)展類庫(kù),默認(rèn)加載JAVA_HOME/jre/lib/ext/目錄下的所有jar包。
3、第三個(gè)類加載器的層次為:Application又稱為系統(tǒng)類加載器,負(fù)責(zé)在JVM啟動(dòng)時(shí),加載來(lái)自在命令java中的classpath或者java.class.path系統(tǒng)屬性或者CLASSPATH操作系統(tǒng)屬性所指定的JAR類包和類路徑。
4、第三個(gè)類加載器的層次為:CustomClassLoader(自定義加載器)
package com.example.demo.classloader;
public class ClassLoaderScope {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("-------------------Bootstrap加載類-------------------");
String property = System.getProperty("sun.boot.class.path");
String s = property.replaceAll(";", System.lineSeparator());
System.out.println(s);
System.out.println("-------------------Ext加載類-------------------");
String property1 = System.getProperty("java.ext.dirs");
String s1 = property1.replaceAll(";", System.lineSeparator());
System.out.println(s1);
System.out.println("-------------------App加載類-------------------");
String property2 = System.getProperty("java.class.path");
String s2 = property2.replaceAll(";", System.lineSeparator());
System.out.println(s2);
}
}
/**輸出結(jié)果只截取了部分*/
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\resources.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\rt.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\sunrsasign.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\jsse.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\jce.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\charsets.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\jfr.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\classes
//----------------------------------------------
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext
//C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
//----------------------------------------------
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\charsets.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\deploy.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\cldrdata.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\dnsns.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\jaccess.jar
//E:\JDK\jdk1.8\jre\lib\ext\jfxrt.jar
特別注意一點(diǎn)這個(gè)的層級(jí)關(guān)系并沒(méi)有繼承的關(guān)系在里面,只是單單純純的語(yǔ)法上的繼承;
下圖為類加載的一個(gè)全過(guò)程:
用比較通俗的話來(lái)解釋這個(gè)過(guò)程,當(dāng)有一個(gè)類需要被加載時(shí),首先要判斷這個(gè)類是否已經(jīng)被加載到內(nèi)存,判斷加載與否的過(guò)程是有順序的,如果有自己定義的類加載器,會(huì)先到custom class loader 的cache(緩存)中去找是否已經(jīng)加載,若已加載直接返回結(jié)果,否則到App的cache中查找,如果已經(jīng)存在直接返回,如果不存在,到Extension中查找,存在直接返回,不存在繼續(xù)向父加載器中尋找直到Bootstrap頂層,如果依然沒(méi)找到,那就是沒(méi)有加載器加載過(guò)這個(gè)類,需要委派對(duì)應(yīng)的加載器來(lái)加載,先看看這個(gè)類是否在自己的加載范圍內(nèi),如果是直接加載返回結(jié)果,若不是繼續(xù)向下委派,以此類推直到最下級(jí),如果最終也沒(méi)能加載,就會(huì)直接拋異常ClassNotFoundException,這就是雙親委派模式。

理解雙親委派模式:
1、父加載器:不是類加載器的加載器,也不是類加載器的父類加載器(此處意思是沒(méi)有父類與子類之間的繼承關(guān)系)。
package com.example.demo.classloader;
/**
* 驗(yàn)證了父加載器不是加載器的加載器
*/
public class ParentAndChild {
public static void main(String[] args) {
//AppClassLoader
ClassLoader classLoader = ParentAndChild.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader);
//null 這里AppClassLoader的加載器不是ExtClassLoader 而是Bootstrap
ClassLoader appclassLoader = ParentAndChild.class.getClassLoader().getClass().getClassLoader();
System.out.println(appclassLoader);
//ExtClassLoader AppClassLoader的父加載器是ExtClassLoader
ClassLoader parent = ParentAndChild.class.getClassLoader().getParent();
System.out.println(parent);
//null
ClassLoader parentparent = ParentAndChild.class.getClassLoader().getParent().getParent();
System.out.println(parentparent);
//null
ClassLoader parentparentparent = ParentAndChild.class.getClassLoader().getParent().getParent().getParent();
System.out.println(parentparent);
/**輸出結(jié)果*/
//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
//null
//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@23fc625e
//null
//Exception in thread "main" java.lang.NullPointerException at com.example.demo.classloader.ParentAndChild.main(ParentAndChild.java:22)
}
}
2、雙親委派:其工作原理的是,如果一個(gè)類加載器收到了類加載請(qǐng)求,并不會(huì)直接去加載,而是自下而上的向頂層類加載器查找是否已經(jīng)被加載了,如果被加載就不用進(jìn)行加載,如果未被加載過(guò),則會(huì)自上而下的檢查是否屬于自己加載的范圍,如果屬于則加載,如果不屬于則向下委托,直到類被加載進(jìn)來(lái)才能叫做成功,如果加載不成功就會(huì)拋異常classnotfoundexeption,這就叫做雙親委派。
3、為什么要搞雙親委派模式?
主要是為了安全,這里可以使用反證法,如果任何類加載器都可以把class加載到內(nèi)存中,我們就可以自定義類加載器來(lái)加載Java.lang.string。在打包時(shí)可以把密碼存儲(chǔ)為String對(duì)象,偷偷摸摸的把密碼發(fā)送到自己的郵箱,這樣會(huì)造成安全問(wèn)題。
三、自定義類加載器
package com.example.demo.classloader;
public class ClassLoaderByHand {
public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
Class<?> clazz = ClassLoaderByHand.class.getClassLoader().
loadClass("com.example.demo.threaddemo.juc_002.Account");
String name = clazz.getName();
System.out.println(name);
}
}
/**
* 輸出結(jié)果
*/
//com.example.demo.threaddemo.juc_002.Account
代碼運(yùn)行結(jié)果可以看出,就是你要加載一個(gè)類你只要調(diào)用classLoader中的loadClass()方法就能把這個(gè)類加載到內(nèi)存中,加載完成之后會(huì)給你返回一個(gè)Class類的對(duì)象。
在硬盤上找到這個(gè)類的源碼,把它load到內(nèi)存,與此同時(shí)生成一個(gè)Class對(duì)象,上述的小程序是通過(guò)ClassLoaderByHand 找到他的加載器AppClassLoader 然后調(diào)用它的loadClass()方法,讓它幫我們把Account類加載進(jìn)來(lái),返回一個(gè)clazz對(duì)象,使用clazz.getName()方法正常返回Account類。
什么時(shí)候我們需要自己定義去加載一個(gè)類?
熱部署時(shí)就是先把之前加載的類給干掉 ,然后使用的自定義類加載器來(lái)進(jìn)行重新加載
spring的動(dòng)態(tài)代理,一個(gè)新的class 當(dāng)需要的時(shí)候就會(huì)把它load到內(nèi)存中
我們還是來(lái)看一下源碼吧,加載過(guò)程最主要的還是ClassLoader中的loaderClass()方法:
結(jié)合上面給的類加載過(guò)程的圖解一起看會(huì)更容易一些;
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
/**
* 在加載之前先調(diào)用findLoadedClass()方法查看是否已經(jīng)加載過(guò)此類
* 若加載過(guò) 返回該對(duì)象
* 如果未加載則返回null 進(jìn)行下一步
*/
// First, check if the class has already been loaded
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
//判斷有無(wú)父加載器 如果不為空說(shuō)明還未到頂層Bootstrap遞歸調(diào)用loadClass()
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//如果沒(méi)有父加載器說(shuō)明調(diào)用的加載器為Bootstrap Class Loader, 在此加載器內(nèi)存中查找是否已經(jīng)加載
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
//若以上的操作都沒(méi)成功加載此類
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
//調(diào)用自己的findClass()
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。
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