java 重点知识 — JVM存储模块与类加载器

1 jvm主要模块

方法区	存储了由类加载器从.class文件中解析的类的元数据（类型信息、域信息、方法信息）及运行时常量池（引用符号及字面量）。所有线程共享；内存不要求连续，可扩展，可能发生垃圾回收（如卸载类）。
堆	存储内容：1）所有new的对象及数组。2）静态变量及字符串常量。一个jvm实例只有一个堆，所有线程共享，包含了新生代和老生代。
栈区	线程私有。在线程创建时创建，线程销毁时销毁。记录了局部变量引用、操作数栈等。每调用一个方法生成一个栈帧，后进先出。
PC寄存器	指令计数器，存储指向下一条指令的地址。
本地方法栈	和栈区功能一样，但执行的是本地的方法。

表 jvm的主要模块

1.1 常量池

经过编译后生成的.class文件，包含了元数据（类型信息、域信息及方法信息的原始表示）及类文件常量池（符号引用及字面量）。

而方法区存储的是运行时，当类被加载后解析的元数据及常量池（运行时常量池）。

1.1.1 永久代到元空间的演变

jdk1.8之前方法区也成为永久代。存储于堆中。jdk1.8及之后，被元空间取代。元空间不在jvm的内存中，而在本地内存。

元空间替代永久代，有以下优势：

内存空间不受jvm的限制，而是由物理内存决定。用户可以配置元空间大小。
类的元数据在类卸载时由GC回收，效率更高效。

2 类加载器

负责将.class 文件加载到JVM内存，并生成对应的Class<?>对象。职责包括：

加载字节码：从文件系统、网络或其他来源读取.class文件。
定义类结构：将字节码转换成JVM内部的类元数据。
维护类隔离：通过不同类加载器实现类的作用域隔离。

2.1 类加载器层级

启动类加载器	Bootstrap ClassLoader，加载JAVA_HOME\lib 目录下的核心类库。有JVM自身实现，无法在代码中直接引用。
扩展类加载器	Extension ClassLoader，加载JAVA_HOME\lib\ext目录下的扩展类库。
应用程序类加载器	Application ClassLoader，加载classpath目录下的用户类（项目代码、第三方库）

图系统自带的类加载器

图类加载器的层级

2.2 双亲委派模型

类加载器采用了“双亲委派模型”，即加载类时，先委托给父类加载器加载，如果加载不到，则由自己加载。这里的父类，并不是指具有继承关系，而是通过合成复用，来设置父类加载器。

要求，除顶层的启动类加载器外，其他的加载器都应有自己的父加载器。

在实现自定义类加载器时，需要继承抽象类ClassLoader，其伪代码如下：

public abstract class ClassLoader {private final ClassLoader parent;protected ClassLoader(ClassLoader parent) {this.parent = parent;}public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {// 首先确定这个类是否被加载Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {if (parent != null) {c = parent.loadClass(name);} else { // 如果父加载器不存在，则将启动类加载器作为父加载器c = findBootstrapClass(name);}if (c == null) {c = findClass(name); // 自定义实现加载类}}return c;}/*** 确定这个类是否已加载*/private Class<?> findLoadedClass(String name) {return null;}/*** 通过启动类加载器查找*/private native Class<?> findBootstrapClass(String name);/*** 自定义实现加载类。在实现自定义加载器时，推荐重写这个方法，而不要动loadClass方法*/protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {throw new ClassNotFoundException(name);}
}

2.2.1 优缺点

优点：

保护核心类库安全，防止用户自定义同名类覆盖核心类，避免安全漏洞（如恶意代码注入）。
保证类的全局唯一性，无论通过哪个类加载器加载，最终得到的都是同一个类。

缺点：

灵活性受限，例如在模块化开发时，如果不同模块要求加载的类库版本不一致，双亲委派模式难以实现。（Tomcat打破了双亲委派模式）
SPI服务加载矛盾，例如核心接口（如java.sql.Driver）y由启动类加载器加载，但实现类（如Mysql驱动）需要由应用类加载器加载。
热部署困难，类一旦被加载后，无法通过同一类加载器重新加载修改后的类，需要重启部署整个项目（即所有类需要重新被加载）。

2.3 打破双亲委派模型

Java默认采用双亲委派模型来加载类，但是在某些场景下，我们需要打破这种方式，来实现特定的需求。

2.3.1 SPI服务—java.sql.Driver

SPI(Service Provide Interface),服务供给接口。Java 1.5新添加的一个内置标注。Java核心库提供特定的服务接口，用户或第三方服务来实现这个接口。同时在META-INFA/services文件夹下，编写以该接口全限定名命名的文档，内容为实现类的全限定名。然后Java根据该全限定名来加载这个实现类。

下面以java.sql.Driver 为例，介绍SPI。

java.sql.Driver 接口主要职责是建立数据库连接。

图 mysql-connector-java 中Driver的实现类及服务提供文件

JDK 核心库中的java.sql.DriverManager，负责管理Driver类，包括Driver实现类的加载。其同时支持两种加载驱动类的方式：

1）加载系统属性jdbc.drivers指定的驱动类。

Class.forName(“Driver实现类全限定名”, true, ClassLoader.getSystemClassLoader());

ClassLoader.getSystemClassLoader()方法获取系统类加载器（即默认的应用程序加载器Application ClassLoader）

2）加载SPI机制提供的驱动类。

ServiceLoader.load(Driver.class);// ServiceLoaderpublic static <S> ServiceLoader<S> load(Class<S> service) {ClassLoader cl = Thread.currentThread().getContextClassLoader();return ServiceLoader.load(service, cl);
}

SPI机制用的类加载器是通过Thread.currentThread().getContextClassLoader();获取。该方法获取的类加载器默认为应用程序加载器。

2.3.2 模块化部署—Tomcat容器

假如在Tomcat同时部署两个应用web1和web2。其中web1依赖spring-core-5.3.0.jar。而web2依赖spring-core-6.0.0.jar。Tomcat默认是单JVM运行多个Web应用。如果采用双亲委派策略，假如web1的某个父加载器加载了spring-core-5.3.0.jar，而到web2时，由于该类已被加载，就不会加载spring-core-6.0.0.jar，那么此时，web2 会报异常NoSuchMethodError或版本冲突。

Common	加载Tomcat通用类。
Catalina	加载Tocmat自身类。
Shared	加载所有Web应用共享的类库（可配置）。
WebAppClassLoader	每个Web应用独立的类加载器，优先从自身类路径（WEB-INF/class和WEB-INF/lib）加载。