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类加载和类加载器

概述

类加载要完成的功能

加载类的方式

类加载器

类加载器的关系

类加载器说明

双亲委派模型

工作过程如下：

双亲委派模型说明：

破坏双亲委派模型：

类连接和初始化

类连接主要验证的内容

类连接中的解析

类的初始化时机

类的卸载

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• 类加载和类加载器

• 类从被加载到JVM开始，到卸载出内存，整个生命周期如图

  

• 概述

• 加载：
  • 查找并加载类文件的二进制数据
• 连接：
  • 就是将已经读入内存的类的二进制数据合并到JVM运行时环境中去
  • 包含如下几个步骤：
    • (1)验证：确保被加载类的正确性
    • (2)准备：为类的静态变量分配内存，并初始化它们
    • (3)解析：把常量池中的符号引用转换成直接引用
• 初始化：
  • 为类的静态变量赋初始值

• 类加载要完成的功能

• (1)通过类的全限定名来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，并向外提供了访问方法区内数据结构的接口

• 加载类的方式

• 最常见的方式：本地文件系统中加载、从jar等归档文件中加载
• 动态的方式：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等

• 类加载器

• Java虚拟机自带的加载器包括如下几种：
• 启动类加载器(BootstrapClassLoader)
• 平台类加载器(PlatformClassLoader)(JDK8:扩展类加载器ExtensionClassLoader)
• 应用程序类加载器(AppClassLoader)
• 用户自定义的加载器，是java.lang.ClassLoader的子类，用户可以定制类的加载方式；只不过自定义类加载器其加载的顺序是在所有系统类加载器的最后

• 类加载器的关系

  

• 类加载器说明

• 启动类加载器：用于加载启动的基础模块类
• 比如：java.base、java.management、java.xml等等
• 平台类加载器：用于加载一些平台相关的模块
• 比如：java.scripting、java.compiler＊、java.corba＊等等
• 应用程序类加载器：用于加载应用级别的模块
• 比如：jdk.compiler、jdk.jartool、jdk.jshell等等；还加载classpath路径中的所有类库
• JDK8：启动类加载器：
• 负责将<JAVA_HOME>/lib，或者-Xbootclasspath参数指定的路径中的，且是虚拟机识别的类库加载到内存中(按照名字识别，比如rt.jar，对于不能识别的文件不予装载)
• JDK8：扩展类加载器：
• 负责加载<JRE_HOME>/lib/ext，或者java.ext.dirs系统变量所指定路径中的所有类库
• JDK8：应用程序类加载器：
• 负责加载classpath路径中的所有类库
• Java程序不能直接引用启动类加载器，直接设置classLoader为null，默认就使用启动类加载器
• 类加载器并不需要等到某个类“首次主动使用”的时候才加载它，Jvm规范允许类加载器在预料到某个类将要被使用的时候就预先加载它
• 如果在加载的时候.class文件缺失，会在该类首次主动使用时报告LinkageError错误，如果一直没有被使用，就不会报错

• 双亲委派模型

• JVM中的ClassLoader通常采用双亲委派模型，要求除了启动类加载器外，其余的类加载器都应该有自己的父级加载器
• 这里的父子关系是组合而不是继承

• 工作过程如下：

  • (1)一个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，那么将会委托给父级加载器，直到启动类加载器
  • (4)如果父级加载器反馈它不能完成加载请求，比如在它的搜索路径下找不到这个类，那子的类加载器才自己来加载
  • (5)在类路径下找到的类将成为这些加载器的无名模块

• 双亲委派模型说明：

• (1)双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作很重要
• (2)实现双亲委派的代码在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，如果自定义类加载器的话，推荐覆盖实现findClass()方法
• (3)如果有一个类加载器能加载某个类，称为定义类加载器，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名相同的情况
• (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，不仅要看全路径名是否一样，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内可见

• 破坏双亲委派模型：

• 双亲模型有个问题：
  • 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
  • 引入了线程上下文类加载器，可以通过Thread的setContextClassLoader()进行设置
• 另外一种典型情况就是实现热替换，比如OSGI的模块化热部署，它的类加载器就不再是严格按照双亲委派模型，很多可能就在平级的类加载器中执行了

• 类连接和初始化

• 类连接主要验证的内容

• 类文件结构检查：
  • 按照JVM规范规定的类文件结构进行
• 元数据验证：
  • 对字节码描述的信息进行语义分析，保证其符合Java语言规范要求
• 字节码验证：
  • 通过对数据流和控制流进行分析，确保程序语义是合法和符合逻辑的；这里主要对方法体进行校验
• 符号引用验证：
  • 对类自身以外的信息，也就是常量池中的各种符号引用，进行匹配校验

• 类连接中的解析

• 所谓解析就是把常量池中的符号引用转换成直接引用的过程
• 包括：
• 符号引用：
  • 以一组无歧义的符号来描述所引用的目标，与虚拟机的实现无关
• 直接引用：
  • 直接指向目标的指针、相对偏移量、或是能间接定位到目标的句柄，是和虚拟机实现相关的
• 主要针对：类、接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄、调用点限定符

• 类的初始化时机

• Java程序对类的使用方式分成：
• 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”时才初始化它们
• 被动使用类不会导致类的初始化
• 主动使用的情况：
  • (1)创建类实例
  • (2)访问某个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)初始化某个类的子类，而父类还没有初始化
  • (6)JVM启动的时候运行的主类
  • (7)定义了default方法的接口，当接口实现类初始化时

• 类的卸载

• 当代表一个类的Class对象不再被引用，那么Class对象的生命周期就结束了，对应的在方法区中的数据也会被卸载
• Jvm自带的类加载器装载的类，是不会卸载的，由用户自定义的类加载器加载的类是可以卸载的