JVM学习笔记【2】类加载执行子系统

1.JVM的简图

简要版

中文的详细版（宋文康老师教学图）
注意：方法区只有HotSpot虚拟机有，J9，JRockit都没有

今天主要的是学习类加载执行子系统

2.类加载执行子系统的作用

类加载器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）

3.类加载过程

举例说明

public class HelloLoader {public static void main(String[] args) {System.out.println("谢谢ClassLoader加载我....");System.out.println("你的大恩大德，我下辈子再报！");}
}

上面代码的执行流程

执行 main() 方法（静态方法）就需要先加载main方法所在类 HelloLoader
加载成功，则进行链接、初始化等操作。完成后调用 HelloLoader 类中的静态方法 main
加载失败则抛出异常

类加载流程图

上面可以看出我们类加载主要是三个阶段

1，类的加载阶段
2，类的是链接阶段
3，初始化阶段

加载阶段

1，通过一个类的全限定名去定义此类的二进制字节流，这个动作呗放到java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己区决定如何去获取自己所需要的类，实现这个动作的代码被称为类加载器 Class loader
2，将这个字节流所代表的静态储存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。

链接阶段

链接分为三个阶段

验证
准备
解析

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。

例如字节码问价一定是 CAFE BABE 开头，如果出现不合法的字符，验证将不通过。

2. 准备(Prepare) ：

为类变量（static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好了默认值，准备阶段会显式初始化
注意：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换为直接引用的过程
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

初始化阶段

类的初始化时机

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(“com.atguigu.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
JDK7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

除了以上七种情况，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，即不会执行初始化阶段（不会调用 clinit() 方法和 init() 方法）
/**

2.clinit()

初始化阶段就是执行类构造器方法()的过程
此方法不需定义，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。也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法
()方法中的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

4.类加载器的分类

JVM严格来讲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）
从概念上来讲，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始终只有3个，如下所示

public class ClassLoaderTest {public static void main(String[] args) {//获取系统类加载器ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2//获取其上层：扩展类加载器ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d//获取其上层：获取不到引导类加载器ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();System.out.println(bootstrapClassLoader);//null//对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2//String类使用引导类加载器进行加载的。---> Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();System.out.println(classLoader1);//null}
}

我们尝试获取引导类加载器，获取到的值为 null ，这并不代表引导类加载器不存在，因为引导类加载器右 C/C++ 语言，我们获取不到
两次获取系统类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明系统类加载器是全局唯一的

5.虚拟机自带的加载器

1.启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap 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.path路径下的内容），用于提供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，并作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

2.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

3.应用程序类加载器（也称为系统类加载器，AppClassLoader）

Java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader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

4.自定义类加载器

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JDK1.2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类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖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URIClassLoader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，使自定义类加载器编写更加简洁。

6.双亲委派机制

原理：

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

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，请求最终将到达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。
父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类，如果将加载任务分配至系统类加载器也无法加载此类，则抛出异常

下面这张图可以很详细介绍委派机制的流程

从上图中我们就更容易理解了，当一个Hello.class这样的文件要被加载时。不考虑我们自定义类加载器，首先会在AppClassLoader中检查是否加载过，如果有那就无需再加载了。如果没有，那么会拿到父加载器，然后调用父加载器的loadClass方法。父类中同理也会先检查自己是否已经加载过，如果没有再往上。注意这个类似递归的过程，直到到达Bootstrap classLoader之前，都是在检查是否加载过，并不会选择自己去加载。直到BootstrapClassLoader，已经没有父加载器了，这时候开始考虑自己是否能加载了，如果自己无法加载，会下沉到子加载器去加载，一直到最底层，如果没有任何加载器能加载，就会抛出ClassNotFoundException。那么有人就有下面这种疑问了？

为什么要设计这种机制？

这种设计有个好处是，如果有人想替换系统级别的类：String.java。篡改它的实现，在这种机制下这些系统的类已经被Bootstrap classLoader加载过了（为什么？因为当一个类需要加载的时候，最先去尝试加载的就是BootstrapClassLoader），所以其他类加载器并没有机会再去加载，从一定程度上防止了危险代码的植入。
避免类的重复加载

7.沙箱安全机制

自定义String类时：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。