JVM 类加载子系统

内存结构概述

粗略图:

详细图：

类加载器与类的加载过程

类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载 Class 文件， class 文件在文件开头有特定的文件标识
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，方法区中还会存放运行时常量池信息，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:

class file 存在于本地硬盘上，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
class file 加载到 JVM 中，被称为 DNA 元数据模板, 方法方法区
在 .class 文件 -> JVM -> 最终称为元数据模板，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

类的加载过程:

加载:

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
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
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

加载 .class 文件的方式:

从本地系统中直接加载
通过网络获取, 典型场景: Web Applet
从 zip 压缩包中读取, 成为日后 jar、war 格式的基础
运行时计算生成, 使用最多的是: 动态代理技术
由其他文件生成, 典型场景: JSP 应用
从专有数据库中提取 .class 文件,比较少
从加密文件中获取, 典型的防Class 文件被反编译的保护措施

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

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 在编译的时候就会分配了，准备阶段会显示初始化
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

解析(Resolve):

将常量池内的符合引用转换为直接引用的过程，符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。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
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
解析动作主要针对类或接口、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：

初始化阶段就是执行类构造器方法 <clinit>() 的过程
此方法不需定义，是 javac 编译器自动收集类中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
<clinit>() 不同于类的构造器 (构造器是虚拟机视角下的 <init>() )
若该类具有父类, JVM 会保证子类的 <clinit>() 执行前，父类的 <clinit>() 已经执行完毕
虚拟机必须保证一个类的 <clinit>() 方法在多线程下被同步加锁

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) 和自定义加载器 (User-Defined ClassLoader)
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的类加载器
类加载器是包含关系，不是上下层，不是继承的关系

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        // 获取系统类记载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);
        // 获取其上层，扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);
        // 获取其上层
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);

        // 对于自定义类来说，默认使用系统类加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        
        // String类使用引导类加载器进行加载-> java 核心类库都是使用引导类加载器进行加载的
        ClassLoader stringClassLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(stringClassLoader);
    }
}

启动类加载器(引导类加载器，Bootstrap ClassLoader):

虚拟机自带的加载器，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、resource.jar 或 sun.boot.class.path 路径下的内容), 用来提供 JVM 自身需要的类
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
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):

虚拟机自带的加载器，java 语言编写，由 sun.misc.Luncher$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种加载类库，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):

虚拟机自带的加载器，ava 语言编写，由 sun.misc.Luncher$AppClassLoader 实现
派生于 ClassLoader 类
父类加载器为启动类加载器
负责加载环境变量 classpath 或者系统属性 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的
通过 ClassLoader#getSystemClassLoader() 方法可以获取到该类加载器

类加载器实例代码:

import sun.security.util.CurveDB;

import java.net.URL;
import java.security.Provider;

public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("-------启动类加载器-------");
        // 获取BootstrapClassLoader 能够加载的 API 的路径
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element: urls) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }

        // 从上面的路径随意挑选一个类，来看看他的类加载器是什么: 启动类加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        System.out.println("-------扩展类加载器-------");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path: extDirs.split(";")){
            System.out.println(path);
        }


        // 从上面的路径随意挑选一个类，来看看他的类加载器是什么: 扩展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);
    }
}

ClassLoader 的使用说明

为什么要自定义类的加载器:

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

用户自定义类加载器实现步骤:

开发人员可以通过继承抽象类 java.lang.ClassLoader 类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
在 JDK 1.2 之前，在自定义类加载器时，总会去继承 ClassLoader 类并重写 loadClass() 方法，从而实现自定义的类加载器，但是在 JDK1.2 之后已不再建议用户覆盖 loadClass() 方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在 findClass() 方法中
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承 URLClassLoader 类，这样就可以避免自己去编写 findClass() 方法及其获取字节码流的方式，使自定义加载器编写更加简洁

关于 ClassLoader:

ClassLoader 是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassLoader(不包括启动类加载器)

方法名称	描述
getParent()	返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name)	加载名称为 name 的类, 返回结果为 java.lang.Class 类的实例
findClass(String name)	查找名称为 name 的类, 返回结果为 java.lang.Class 类的实例
findLoadedClass(String name)	查找名称为 name 的已经被加载过的类, 返回结果为 java.lang.Class 类的实例
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)	把字节数组 b 中的内容转换为一个 Java 类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
resolveClass(Class<?> c)	连接指定的一个 java 类

获取 ClassLoader 的途径:

方式	方法
获取当前类的 ClassLoader	class.getClassLoader()
获取当前线程上下文的 ClassLoader	Thread.currentThread().getContextClassLoader()
获取系统的 ClassLoader	ClassLoader.getSystemClassLoader()
获取调用者的 ClassLoader	DriverManager.getCallerClassLoader()

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);

            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);
        }catch (ClassNotFoundException e){
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

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:

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
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，请求最终将达到顶层的启动类加载器
如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，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，这就是双亲委派模式

public class StringTest {
    public static void main(String[] args) {
        String str = new String();

        System.out.println("hello world");
    }
}

// 在 src 下创建 java.lang 包，创建 String类,如果该类被使用，则静态代码区会被执行
public class String {
    static {
        System.out.println("自定义String类静态代码块");
    }
    // 会报异常，因为忽略了加载
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("string main");
    }
}

双亲委派机制优势:

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 String 类，但是在加载自定义 String 类的时候会率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)，报错信息说没有 main 方法, 就是因为加载的是 rt.jar 包中的 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

其他

JVM 中两个 Class 对象是同一个类的必要条件:

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

对类加载器的引用:

JVM 必须直到一个类型是由启动加载器的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么 JVM 会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另一个类型的引用的时候， JVM 需要保证这两个类型的类加载器是相同的

类主动使用和被动使用:

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
初始化一个子类
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.MethodHandler 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
除了以上情况，其他的使用 Java 类的方式都被看作是对类的被动地使用，都不会导致类的初始化