jvm性能調(diào)優(yōu) - 01類加載機(jī)制Review

文章目錄

困惑

代碼是如何運(yùn)行起來的（粗流程）

編譯

類裝載子系統(tǒng)

字節(jié)碼執(zhí)行引擎

類裝載子系統(tǒng)

JVM在什么情況下會加載一個(gè)類

驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化的過程

驗(yàn)證階段

準(zhǔn)備階段

解析階段

核心階段：初始化

主要職責(zé)

什么時(shí)候會初始化一個(gè)類？

類加載器

啟動類加載器 Bootstrap ClassLoader

擴(kuò)展類加載器 Extension ClassLoader

應(yīng)用程序類加載器 Application ClassLoader

自定義類加載器

雙親委派機(jī)制

思考

困惑

目前JVM的書籍大部分都是站在理論知識總結(jié)和梳理的角度，構(gòu)建一個(gè)完整的理論知識體系 ，但是很少會涉及生產(chǎn)故障的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和解決方案。

對JVM生產(chǎn)環(huán)境中的優(yōu)化很少有機(jī)會去接觸… 突然遇到線上JVM生產(chǎn)事故,依然毫無頭緒。

接下來幾篇文章，主要是高屋建瓴的把JVM運(yùn)行機(jī)制的整體脈絡(luò)梳理清楚。

代碼是如何運(yùn)行起來的（粗流程）

要研究JVM技術(shù)，先得搞明白一個(gè)問題：

我們平時(shí)寫的Java代碼，到底是怎么運(yùn)行起來的？

我們來一步一步的分析

當(dāng)我們寫好這些“.java”后綴的代碼文件之后，接下來你要部署到線上的機(jī)器上去運(yùn)行，你會怎么做？

一般來說，都是把代碼給打成“.jar”后綴的jar包，或者是“.war”后綴的war包，是不是？

然后呢，就是把你打包好的jar包或者是war包給放到線上機(jī)器去部署。

部署就有很多種途徑了 : 比如通過Tomcat這類容器來部署代碼，或者編寫一個(gè)shell 調(diào)用“java”命令來運(yùn)行一個(gè)jar包中的代碼。

先用下面這張圖，回憶一下這個(gè)順序

編譯

這里有一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟，那就是

“編譯”

也就是說，在我們寫好的“.java”代碼打包的過程中，一般就會把代碼編譯成“.class”后綴的字節(jié)碼文件，比如“User.class”，“Hello.class”，”Customer.class“。

然后這個(gè)“.class”后綴的字節(jié)碼文件，才是可以被運(yùn)行起來的！

所以首先，先來回顧一下這個(gè)編譯的過程，以及“.class”字節(jié)碼文件的概念。

來看看下圖

接著我們可能就要思考下一個(gè)問題：

對于編譯好的這些“.class”字節(jié)碼，是怎么讓他們運(yùn)行起來的呢？

這個(gè)時(shí)候就需要使用諸如“java -jar”之類的命令來運(yùn)行我們寫好的代碼了。 實(shí)際上此時(shí)就會啟動一個(gè)JVM進(jìn)程。 這個(gè)JVM就會來負(fù)責(zé)運(yùn)行這些“.class”字節(jié)碼文件，也就相當(dāng)于是負(fù)責(zé)運(yùn)行我們寫好的系統(tǒng)。

所以平時(shí)我們寫好的某個(gè)系統(tǒng)在一臺機(jī)器上部署的時(shí)候，一旦啟動，其實(shí)就是啟動了一個(gè)JVM，由它來負(fù)責(zé)運(yùn)行這臺機(jī)器上運(yùn)行的這個(gè)系統(tǒng)。

如下圖

類裝載子系統(tǒng)

接著下一步，JVM要運(yùn)行這些“.class”字節(jié)碼文件中的代碼，那是不是首先得把這些“.class”文件中包含的各種類給加載進(jìn)來？

這些“.class”文件不就是我們寫好的一個(gè)一個(gè)的類嗎？對不對？

此時(shí)就會有一個(gè)

“類加載器”

此時(shí)會采用類加載器把編譯好的那些“.class”字節(jié)碼文件給加載到JVM中，然后供后續(xù)代碼運(yùn)行來使用。

字節(jié)碼執(zhí)行引擎

接著，最后一步，JVM就會基于自己的字節(jié)碼執(zhí)行引擎，來執(zhí)行加載到內(nèi)存里的我們寫好的那些類了

比如你的代碼中有一個(gè)“main()”方法，那么JVM就會從這個(gè)“main()”方法開始執(zhí)行里面的代碼。

需要哪個(gè)類的時(shí)候，就會使用類加載器來加載對應(yīng)的類，反正對應(yīng)的類就在“.class”文件中。

類裝載子系統(tǒng)

類加載過程非常的瑣碎復(fù)雜，但是對于平時(shí)從工作中實(shí)用的角度來說，主要是把握他的核心工作原理就可以。

JVM在什么情況下會加載一個(gè)類

一個(gè)類從加載到使用，一般會經(jīng)歷下面的這個(gè)過程：

加載 -> 驗(yàn)證 -> 準(zhǔn)備 -> 解析 -> 初始化 -> 使用 -> 卸載

所以首先要搞明白的第一個(gè)問題，就是JVM在執(zhí)行我們寫好的代碼的過程中，一般在什么情況下會去加載一個(gè)類呢？

也就是說，啥時(shí)候會從“.class”字節(jié)碼文件中加載這個(gè)類到JVM內(nèi)存里來。

在你的代碼中用到這個(gè)類的時(shí)候。

舉個(gè)簡單的例子，比如下面你有一個(gè)類（Kafka.class），里面有一個(gè)“main()”方法作為主入口。

那么一旦你的JVM進(jìn)程啟動之后，它一定會先把你的這個(gè)類（Kafka.cass）加載到內(nèi)存里，然后從“main()”方法的入口代碼開始執(zhí)行。

畫個(gè)圖，感受下

接著假設(shè)上面的代碼中，出現(xiàn)了如下的這么一行代碼：

這時(shí)可能大家就想了，你的代碼中明顯需要使用“ReplicaManager”這個(gè)類去實(shí)例化一個(gè)對象，此時(shí)必須得把“ReplicaManager.class”字節(jié)碼文件中的這個(gè)類加載到內(nèi)存里來啊！是不是？

所以這個(gè)時(shí)候就會觸發(fā)JVM通過類加載器，從“ReplicaManager.class”字節(jié)碼文件中加載對應(yīng)的類到內(nèi)存里來使用，這樣代碼才能跑起來。

我們來看下面的圖：

簡單概括一下：首先你的代碼中包含“main()”方法的主類一定會在JVM進(jìn)程啟動之后被加載到內(nèi)存，開始執(zhí)行你的“main()”方法中的代碼

接著遇到你使用了別的類，比如“ReplicaManager”，此時(shí)就會從對應(yīng)的“.class”字節(jié)碼文件加載對應(yīng)的類到內(nèi)存里來。

驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化的過程

這三個(gè)概念 ，這里的細(xì)節(jié)很多很繁瑣，我們先簡單了解下

驗(yàn)證階段

簡單來說，這一步就是根據(jù)Java虛擬機(jī)規(guī)范，來校驗(yàn)?zāi)慵虞d進(jìn)來的“.class”文件中的內(nèi)容，是否符合指定的規(guī)范。

這個(gè)相信很好理解，假如說，你的“.class”文件被人篡改了，里面的字節(jié)碼壓根兒不符合規(guī)范，那么JVM是沒法去執(zhí)行這個(gè)字節(jié)碼的！

所以把“.class”加載到內(nèi)存里之后，必須先驗(yàn)證一下，校驗(yàn)他必須完全符合JVM規(guī)范，后續(xù)才能交給JVM來運(yùn)行。

下面用一張圖，展示了這個(gè)過程：

準(zhǔn)備階段

這個(gè)階段其實(shí)也很好理解，咱們都知道，我們寫好的那些類，其實(shí)都有一些類變量

比如下面的這個(gè)“ReplicaManager”類：

假設(shè)你有這么一個(gè)“ReplicaManager”類，他的“ReplicaManager.class”文件內(nèi)容剛剛被加載到內(nèi)存之后，會進(jìn)行驗(yàn)證，確認(rèn)這個(gè)字節(jié)碼文件的內(nèi)容是規(guī)范的

接著就會進(jìn)行準(zhǔn)備工作。

這個(gè)準(zhǔn)備工作，其實(shí)就是給這個(gè)“ReplicaManager”類分配一定的內(nèi)存空間

然后給他里面的類變量（也就是static修飾的變量）分配內(nèi)存空間，來一個(gè)默認(rèn)的初始值

比如上面的示例里，就會給“flushInterval”這個(gè)類變量分配內(nèi)容空間，給一個(gè)“0”這個(gè)初始值。

整個(gè)過程，如下圖所示：

解析階段

這個(gè)階段干的事兒，實(shí)際上是把符號引用替換為直接引用的過程，其實(shí)這個(gè)部分的內(nèi)容很復(fù)雜，涉及到JVM的底層, 暫時(shí)不展開。

從實(shí)用角度而言，對很多同學(xué)在工作中實(shí)踐JVM技術(shù)其實(shí)也用不到，所以這里大家就暫時(shí)知道有這么一個(gè)階段就可以了。

如下圖

其實(shí)這三個(gè)階段里，最核心的就是“準(zhǔn)備階段” ，因?yàn)檫@個(gè)階段是給加載進(jìn)來的類分配好了內(nèi)存空間，類變量也分配好了內(nèi)存空間，并且給了默認(rèn)的初始值，這個(gè)概念，大家心里一定要牢記。

核心階段：初始化

主要職責(zé)

之前說過，在準(zhǔn)備階段時(shí)，就會把我們的“ReplicaManager”類給分配好內(nèi)存空間

另外他的一個(gè)類變量“flushInterval”也會給一個(gè)默認(rèn)的初始值“0”，那么接下來，在初始化階段，就會正式執(zhí)行我們的類初始化的代碼了。

那么什么是類初始化的代碼呢？我們來看看下面這段代碼：

大家可以看到，對于“flushInterval”這個(gè)類變量，我們是打算通過Configuration.getInt(“replica.flush.interval”)這段代碼來獲取一個(gè)值，并且賦值給他的

但是在準(zhǔn)備階段會執(zhí)行這個(gè)賦值邏輯嗎？

NO！在準(zhǔn)備階段，僅僅是給“flushInterval”類變量開辟一個(gè)內(nèi)存空間，然后給個(gè)初始值0 罷了。

那么這段賦值的代碼什么時(shí)候執(zhí)行呢？答案是在初始化 階段來執(zhí)行。

在這個(gè)階段，就會執(zhí)行類的初始化代碼，比如上面的 Configuration.getInt("replica.flush.interval") 代碼就會在這里執(zhí)行，完成一個(gè)配置項(xiàng)的讀取，然后賦值給這個(gè)類變量“flushInterval”。

另外比如下圖的static靜態(tài)代碼塊，也會在這個(gè)階段來執(zhí)行。

類似下面的代碼語義，可以理解為類初始化的時(shí)候，調(diào)用“l(fā)oadReplicaFromDish()”方法從磁盤中加載數(shù)據(jù)副本，并且放在靜態(tài)變量“replicas”中：

那么搞明白了類的初始化是什么，就得來看看類的初始化的規(guī)則了。

什么時(shí)候會初始化一個(gè)類？

一般來說有以下一些時(shí)機(jī)：比如“new ReplicaManager()”來實(shí)例化類的對象了，此時(shí)就會觸發(fā)類的加載到初始化的全過程，把這個(gè)類準(zhǔn)備好，然后再實(shí)例化一個(gè)對象出來；

或者是包含“main()”方法的主類，必須是立馬初始化的。

此外，這里還有一個(gè)非常重要的規(guī)則，就是如果初始化一個(gè)類的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)他的父類還沒初始化，那么必須先初始化他的父類

如下

如果你要“new ReplicaManager()”初始化這個(gè)類的實(shí)例，那么會加載這個(gè)類，然后初始化這個(gè)類

但是初始化這個(gè)類之前，發(fā)現(xiàn)AbstractDataManager作為父類還沒加載和初始化，那么必須先加載這個(gè)父類，并且初始化這個(gè)父類。

這個(gè)規(guī)則，大家必須得牢記，再來一張圖，借助圖片來進(jìn)行理解：

類加載器

現(xiàn)在相信大家都搞明白了整個(gè)類加載從觸發(fā)時(shí)機(jī)到初始化的過程了，接著給大家說一下類加載器的概念

因?yàn)閷?shí)現(xiàn)上述過程，那必須是依靠類加載器來實(shí)現(xiàn)的

那么Java里有哪些類加載器呢？簡單來說有下面幾種：

啟動類加載器 Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader，他主要是負(fù)責(zé)加載我們在機(jī)器上安裝的Java目錄下的核心類的

在你的Java安裝目錄下，就有一個(gè)“l(fā)ib”目錄， Java最核心的一些類庫，支撐你的Java系統(tǒng)的運(yùn)行。

所以一旦你的JVM啟動，那么首先就會依托啟動類加載器，去加載你的Java安裝目錄下的“l(fā)ib”目錄中的核心類庫。

擴(kuò)展類加載器 Extension ClassLoader

Extension ClassLoader，這個(gè)類加載器其實(shí)也是類似的，就是你的Java安裝目錄下，有一個(gè)“l(fā)ib\ext”目錄

大致就理解為去加載你寫好的Java代碼吧，這個(gè)類加載器就負(fù)責(zé)加載你寫好的那些類到內(nèi)存里。

應(yīng)用程序類加載器 Application ClassLoader

Application ClassLoader，這類加載器就負(fù)責(zé)去加載“ClassPath”環(huán)境變量所指定的路徑中的類

自定義類加載器

除了上面那幾種之外，還可以自定義類加載器，去根據(jù)你自己的需求加載你的類。

雙親委派機(jī)制

JVM的類加載器是有親子層級結(jié)構(gòu)的，就是說啟動類加載器是最上層的，擴(kuò)展類加載器在第二層，第三層是應(yīng)用程序類加載器，最后一層是自定義類加載器。

然后，基于這個(gè)親子層級結(jié)構(gòu)，就有一個(gè)雙親委派的機(jī)制

什么意思呢？

就是假設(shè)你的應(yīng)用程序類加載器需要加載一個(gè)類，他首先會委派給自己的父類加載器去加載，最終傳導(dǎo)到頂層的類加載器去加載

但是如果父類加載器在自己負(fù)責(zé)加載的范圍內(nèi)，沒找到這個(gè)類，那么就會下推加載權(quán)利給自己的子類加載器。

用一個(gè)例子來說明一下:

比如你的JVM現(xiàn)在需要加載“ReplicaManager”類，此時(shí)應(yīng)用程序類加載器會問問自己的爸爸，也就是擴(kuò)展類加載器，你能加載到這個(gè)類嗎？

然后擴(kuò)展類加載器直接問自己的爸爸，啟動類加載器，你能加載到這個(gè)類嗎？

啟動類加載器心想，我在Java安裝目錄下，沒找到這個(gè)類啊，自己找去！

然后，就下推加載權(quán)利給擴(kuò)展類加載器這個(gè)兒子，結(jié)果擴(kuò)展類加載器找了半天，也沒找到自己負(fù)責(zé)的目錄中有這個(gè)類。

這時(shí)他很生氣，說：明明就是你應(yīng)用程序加載器自己負(fù)責(zé)的，你自己找去。

然后應(yīng)用程序類加載器在自己負(fù)責(zé)的范圍內(nèi)，比如就是你寫好的那個(gè)系統(tǒng)打包成的jar包吧，一下子發(fā)現(xiàn)，就在這里！然后就自己把這個(gè)類加載到內(nèi)存里去了。

這就是所謂的雙親委派模型：先找父親去加載，不行的話再由兒子來加載。

這樣的話，可以避免多層級的加載器結(jié)構(gòu)重復(fù)加載某些類。

最后，給大家來一張圖圖，感受一下類加載器的雙親委派模型。

思考

如何對“.class”文件處理保證不被人拿到以后反編譯獲取公司源代碼？

首先你編譯時(shí)，就可以采用一些小工具對字節(jié)碼加密，或者做混淆等處理

現(xiàn)在有很多第三方公司，都是專門做商業(yè)級的字節(jié)碼文件加密的，所以可以付費(fèi)購買他們的產(chǎn)品。

然后在類加載的時(shí)候，對加密的類，考慮采用自定義的類加載器來解密文件即可，這樣就可以保證你的源代碼不被人竊取。

Tomcat的類加載機(jī)制應(yīng)該怎么設(shè)計(jì)，才能把我們動態(tài)部署進(jìn)去的war包中的類，加載到Tomcat自身運(yùn)行的JVM中，然后去執(zhí)行那些我們寫好的代碼呢？

首先Tomcat的 類加載器體系如下圖所示，他是自定義了很多類加載器的。

Tomcat自定義了Common、Catalina、Shared等類加載器，其實(shí)就是用來加載Tomcat自己的一些核心基礎(chǔ)類庫的。

然后Tomcat為每個(gè)部署在里面的Web應(yīng)用都有一個(gè)對應(yīng)的WebApp類加載器，負(fù)責(zé)加載我們部署的這個(gè)Web應(yīng)用的類

至于Jsp類加載器，則是給每個(gè)JSP都準(zhǔn)備了一個(gè)Jsp類加載器。

而且大家一定要記得，Tomcat是打破了雙親委派機(jī)制的

每個(gè)WebApp負(fù)責(zé)加載自己對應(yīng)的那個(gè)Web應(yīng)用的class文件，也就是我們寫好的某個(gè)系統(tǒng)打包好的war包中的所有class文件，不會傳導(dǎo)給上層類加載器去加載。

JVM 應(yīng)用性能調(diào)優(yōu)

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