类加载子系统

内存结构概述

简图

详细图

类加载器与类的加载过程

类加载器子系统的作用

• 类加载器子系统负责从文件系统或网络中加载Class文件，class文件在文件开头有特定的标识。
• ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。
• 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区还会存放运行时常量池的信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射）

类加载器ClassLoader角色

1. class file 存放在本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到 JVM 当中来根据这个文件实例化出n个一模一样的实例。
2. class file 加载到 JVM 中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。
3. 在 .class文件 ----> JVM -----> 最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器 Class Loader）,扮演一个快递员的角色。

类加载过程

加载（loading）

加载：

1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流

2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构

3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

链接（linking）

1. 验证（verify）

   • 目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全
   • 主要包括四种验证：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

2. 准备（Prepare）

   • 为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值
   • 这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就被分配了，准备阶段会显式初始化
   • 这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到java堆中

3. 解析（Resolve）

   • 将常量池内的符号引用转化为直接引用的过程
   • 事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
   • 符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式所明确定义在（java虚拟机规范）的Class文件格式中，直接引用就是直接指向目标的指针，相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。
   • 解析动作主要针对接口‘、字段、类方法、接口方法、方法类型等，对应常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等。

初始化（initialization）

初始化：

• 初始化阶段就是执行类构造方法()的过程
• 此方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来
• 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行
• ()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的()）
• 若该类具有父类，JVM会保证子类的()执行前，父类的()已经执行完毕
• 虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁

初始化时，对static代码而言，是按照顺序赋值的（如在静态代码块里对一个static变量进行赋值，静态代码块在static变量声明前，编译时，会先执行静态代码块里的代码进行赋值，然后再执行声明的代码进行赋值），并且生成clinit构造器方法。
如果声明的不是static变量，并且也没有静态代码块，则不会有clinit构造器方法。
每个类都会有一个构造器，对应init构造器方法。
初始化阶段会先调用super()方法执行父类的初始化。
类在初始化时，虚拟机会自动为这个类加锁，保证只加载一次，实现线程安全。

类加载的全过程：加载、验证、准备、解析、初始化。
--

JVM--类加载器分类

• JVM支持两种类型的类加载器，分别为 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader） 和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）
• 从概念上讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器。
• 无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器只有三个，如下所示：

虚拟机自带的加载器

虚拟机自带的加载器：引导类加载器、扩展类加载器、系统类加载器。

启动类加载器（引导类加载器，Boostrap ClassLoader）

• 这个类加载使用c/c++语言实现的，嵌套在JVM内部
• 它用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.pah路径下的内容），用于提供JVM自身所需要的类
• 并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器
• 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器e
• 出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

• Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
• 派生于ClassLoader类
• 父类加载器为启动类加载器
• 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载

应用程序类加载器（系统类加载器：AppClassLoader）

• java语言编写，由sum.misc.Launcher$AppClassLoader实现

• 派生于ClassLoader类

• 父类加载器为扩展类加载器

• 它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库

• 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载

• 通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

用户自定义类加载器(了解)

• 在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行的，在必要时，我们换可以自定义类加载器，来定制类的加载方式
• 如果获取ClassLoader

双亲委派机制

Java虚拟机对class文件采用的是 按需加载 的方式,，也就是说当需要使用该类时才会将它的class文件加载到内存生成class对象。而且加载某个类的class文件时，Java虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式。

工作原理

1. 如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行
2. 如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器
3. 如果父类加载器可以完成类加载任务，就返回成功，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派机制

优势

避免

• 避免类的重复加载
• 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

沙箱安全机制

自定义 java.lang.String 类，但是在加载自定义的 String 类的时候会首先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载 JDK 自带的文件（rt.jar 包中的 java.lang.String.class），而自定义的 java.lang.String 类中有 main 方法，JDK 中的 String 类没有 main 方法，所以会报错说没有 main 方法，就是因为加载的不是自定义的 String 类。这样可以保证对 java 核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

如何判断两个Class对象是否相同

在 JVM 中表示两个 Class 对象是否为同一个类存在两个必要条件：

• 类的完整类名必须一致，包括包名
• 加载这个类的 ClassLoader（指 ClassLoader 实例对象）必须相同

换句话说，在 JVM 中，即使这两个类对象（Class 对象）来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但是只要加载它们的 ClassLoader 实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的 。

主动使用和被动使用

主动使用

主动使用又分为 7 种情况：

• 创建类的实例
• 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
• 调用类的静态方法
• 反射（比如：Class.forName("top.gldwolf.Test")）
• 初始化一个类的子类
• Java 虚拟机启动时被标明为启动类的类
• JDK 7 开始提供的动态语言支持：
  • java.lang.invoke.MethodHandle 实例的解析结果
  • REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic 句柄对应的类没有初始化，则初始化

被动使用

除了以上 7 种情况，其他使用 Java 类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。