深入浅出JVM（Ⅰ）：JVM规范&类从加载、连接、初始化到卸载

JVM指令集

JVM虚拟机规范详情参见官网

Class字节码

ClassFile结构

ClassFile {
 u4 magic; // 魔数值，确认class文件，值固定
 u2 minor_version; // 副版本号 
 u2 major_version; // 主版本号
 u2 constant_pool_count; // 常量池计数器
 cp_info constant_pool[constant_pool_count-1]; // 常量池
 u2 access_flags; // 访问标志
 u2 this_class;  // 类索引
 u2 super_class; // 父类索引
 u2 interfaces_count; // 接口计数器
 u2 interfaces[interfaces_count]; // 接口表
 u2 fields_count; // 字段计数器
 field_info fields[fields_count]; // 字段表
 u2 methods_count; // 方法计数器
 method_info methods[methods_count]; // 方法表
 u2 attributes_count; // 属性计数器
 attribute_info attributes[attributes_count]; // 属性表
}

javap反编译class文件

javap

 -help  --help  -?        输出此用法消息
 -version                 版本信息，其实是当前javap所在jdk的版本信息，不是class在哪个jdk下生成的。
 -v  -verbose             输出附加信息（包括行号、本地变量表，反汇编等详细信息）
 -l                         输出行号和本地变量表
 -public                    仅显示公共类和成员
 -protected               显示受保护的/公共类和成员
 -package                 显示程序包/受保护的/公共类 和成员 (默认)
 -p  -private             显示所有类和成员
 -c                       对代码进行反汇编
 -s                       输出内部类型签名
 -sysinfo                 显示正在处理的类的系统信息 (路径, 大小, 日期, MD5 散列)
 -constants               显示静态最终常量
 -classpath <path>        指定查找用户类文件的位置
 -bootclasspath <path>    覆盖引导类文件的位置

javap生成的非正式“虚拟机汇编语言”，格式如下：

[[]...][comment]

是指令操作码在数组中的下标，该数组以字节形式存储当前方法java虚拟机代码；也可以是相对于方法起始处的字节偏移量

是指令的助记码、是操作数、是行尾的注释

ASM介绍

概述

ASM是一个Java字节码操纵框架，能够用来动态生成或增强既有类的功能

ASM编程模型

Core API

提供基于事件形式编程模型。不需要一次性将整个类结构读取到内存，运行更快、占用内存少，但是编程方式难度较大

ASM Core API中操纵字节码的功能基于ClassVisitor接口，这个接口中的每个方法对应class文件中每一项

• ClassReader: 解析class字节码
• ClassAdapter: ClassVisitor实现类，实现变化功能
• ClassWriter: ClassVisitor实现类，输出变化后的字节码

ASM提供ASMifier工具，可用来生成ASM结构来对比

Tree API

提供基于树形的编程模型。需要一次性将整个类结构读取到内存，占用更多内存但是编程方式简单。

类加载、类加载器，双亲委派模型

类加载

1. 通过类的全限定名获取该类的二进制字节流
2. 把二进制字节流转化为方法区的运行时数据结构
3. 在堆上创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构，并向外提供访问方法区内数据结构的接口

• 常见方式：本地文件、jar等归档文件中加载
• 动态方式：将java源文件动态编译成class
• 其它方式：网络下载、从专有数据库中加载等

类加载器

Java虚拟机自带加载器包括以下几种：

• 启动类加载器（BootstrapClassLoader）
• 平台类加载器（PlatformClassLoader） jdk9, jdk8: 扩展类加载器ExtensionClassLoader
• 应用程序类加载器（AppClassLoader）

用户自定义加载器，是java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式，自定义加载器加载顺序在所有系统类加载器之后

类加载器的关系

双亲委派模型

JVM中的ClassLoader通常采用双亲委派模型，要求除启动类加载器外，其余的类加载器都应该有自己的父加载器。加载器间是组合关系而非继承。工作过程如下：

1. 类加载器接收到类加载请求后。首先搜索它的内建加载器定义的所有“具名模块”
2. 如果找到了合适的模块定义，将会使用该加载器来加载
3. 如果class没有在这些加载器定义的具名模块中找到，那么将会委托给父加载器，直到启动类加载器
4. 如果父加载器反馈不能完成请求，比如在它的搜索路径下找不到这个类，那子类加载器自己来加载
5. 在类路径下找到的类成为这些加载器的无名模块

双亲委派模型说明：

1. 双亲委派模型有利于保证Java程序的稳定
2. 实现双亲委派的代码在java.class.ClassLoader的loadClass()方法中，自定义类加载器推荐重写findClass()方法
3. 如果有一个类加载器能加载某个类，成为定义类加载器，所有能成功返回该类的Class的类加载器都被称为初始类加载器
4. 如果没有指定父加载器，默认就是启动类加载器
5. 每个类加载器都有自己的命名空间，命名空间由该加载器及其所有父加载器所加载的类构成，不同的命名空间可以出现类的全路径相同的情况
6. 运行时包由同一个类加载器的类构成，决定两个类是否属于同一个运行时包不仅要看全路径是否一样，还要看定义类加载器是否相同。只有属于同一个运行时包的类才能实现相互包可见

自定义类加载器：

public class MyClassLoader extends ClassLoader {

	private String loaderName;

	public MyClassLoader(String loaderName) {
		this.loaderName = loaderName;
	}

	@Override
	protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
		byte[] data = this.loadClassData(name);
		return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
	}

	private byte[] loadClassData(String name) {
		byte[] data = null;

		name = name.replace(".", "/");
		try (ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream(); InputStream in = new FileInputStream(new File(
				"target/" + name + ".class"))){

			byte[] buffer = new byte[1024];
			int size = 0;
			while ((size = in.read(buffer)) != -1) {
				out.write(buffer, 0, size);
			}

			data = out.toByteArray();
		} catch (IOException e) {
			e.printStackTrace();
		}

		return data;
	}
}

public class MyClass {
    public MyClass() {
    }
}

public class ClassCloaderMain {

	public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException {
		MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader("myClassLoader1");

		Class cls = classLoader.loadClass("classloader.MyClass");

		System.out.println("cls class loader == " + cls.getClassLoader());
		System.out.println("cls parent class loader == " + cls.getClassLoader().getParent());
	}
}

/*
控制台打印:
cls class loader == classloader.MyClassLoader@3caeaf62
cls parent class loader == sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
*/

破坏双亲委派模型：

• 双亲委派模型问题： 父加载器无法向下识别子加载器加载的资源

  为了解决这个问题，引入线程上下文类加载器，可以通过Thread的setContextClassLoader()进行设置，例如数据库连接驱动加载

• 另一种典型情况是实现热替换，比如OSGI的模块热部署，它的类加载器不再是严格按照双亲委派模型，很多在平级的类加载器中执行

类连接

将已经读入内存的类二进制数据合并到JVM运行环境中去，包含以下几个步骤：

1. 验证：确保被加载类的正确性
   • 类文件结构验证
   • 元数据验证
   • 字节码验证
   • 符号引用验证
2. 解析：把常量池中的符号引用换为直接引用

类初始化

为类的静态变量赋初始值，或者说执行类的构造器方法

1. 如果类未加载或连接，先进行加载连接
2. 如果存在父类且父类未初始化，先初始化父类
3. 如果类中存在初始化语句，依次执行
4. 如果是接口
   • 初始化类不会先初始化它实现的接口
   • 初始化接口不会初始化父接口
   • 只有程序首次使用接口中的变量或调用接口方法时，接口才会初始化
5. ClassLoader类的loadClass()方法装载类不会初始化这个类，不是对类的主动使用

类初始化时机

Java程序对类的使用分成： 主动使用和被动使用。JVM必须在每个类或接口“首次主动使用”时才会初始化它们，被动使用的类不会导致类的初始化。

主动使用的情况：

1. 创建类实例
2. 访问类或接口的静态变量
3. 调用类的静态方法
4. 反射某个类
5. 初始化子类，父类还没初始化
6. JVM启动时运行的主类
7. 定义了default方法的接口，当接口实现类初始化

类卸载

当代表类的Class对象不再被引用，那么Class对象生命周期就结束了，对应方法区的数据也会被卸载

JVM自带的类加载器装载的类不会卸载，由用户自定义的类加载器加载的类可以被卸载

深入浅出JVM（Ⅰ）：JVM规范&类从加载、连接、初始化到卸载

原文：https://www.cnblogs.com/haif/p/13643085.html