类加载子系统

1 内存结构概述
2 类加载器与类的加载过程
- 2.1 加载阶段
- 2.2 链接阶段
- 2.3 初始化阶段
3 类加载器分类
- 3.1 虚拟机自带的加载器
- 3.2 用户自定义加载器
4 ClassLoader的使用说明
5 双亲委派机制
6 拓展问题

1 内存结构概述

Java文件的执行流程：

java文件被编译器编译成class文件
class文件被类装载器加载到内存中的方法区
JVM执行引擎读取方法区的字节码进行执行（即：解析执行、编译执行或者两者兼有）
输出执行结果

2 类加载器与类的加载过程

类加载器ClassLoader角色：

class File存在于本地硬盘，可以理解为设计师画在纸上的模板，最后模板执行加载进JVM中，然后由JVM根据当前这个文件实例化出n个一模一样的实例。
class File加载到JVM中，就称为DNA元数据模板，放在方法区。
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。

类的加载过程

/***示例代码*/
public class HelloLoader {public static void main(String[] args) {System.out.println("Hello World!");}
}

流程图表示上述代码执行流程

2.1 加载阶段

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，作为方法去这个类的各种数据的访问入口

补充：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，比较少见
从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

2.2 链接阶段

验证（Verify）：

目的在于确保Class文件字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，确保被加载类的正确性，不回危害虚拟机的自身安全。
主要包含四种验证：文件验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

准备（Prepare）：

为静态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，静态变量会分配在方法区中，实例变量则是随着对象一起分配至堆中。

解析（Resolve）：

将常量池内的符号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。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。

事实上，解析操作往往伴随着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。

2.3 初始化阶段

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。
< clinit >()不同于类的构造器。（关联：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。
clinit方法只会初始化静态变量和静态构造器。

3 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（Bootstarp ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）

自定义类加载器一般是指程序中由开发人员自定义的类加载器，但是Java虚拟机规范却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。

Java中有三种基础的类加载器：BootStrap，Extension，System

这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是子父类的继承关系。

为什么要有三种基础的类加载器呢？
Java中有三种基础的类加载器主要为了安全。

类加载器加载类的方式是，加载器先调用父加载器对类进行加载，如果父加载器找不到该类，此加载器才会去加载该类。

最关键的是，除非是同一个类加载器加载的类，否则JVM不会保证包访问级别（如果不指明private/public或protected，则方法和属性具有包访问级别）。

因此，假如用户调用他编写的java.lang.MyClass类。理论上该类可以访问和改变java.lang包下其他类的默认访问修饰符的属性和方法的能力。Java语言本身并没有阻止这种行为。但是JVM则会阻止这种行为，因为java核心类库的java.lang包下的类是由bootstrap类加载器加载的。不是同一个类加载器加载的类等于不具有包级别的访问权限。

类加载器中的其他安全特性也会阻止这种类型侵入。

所以为什么有三种基础的类加载器？是因为他们代表三种不同的信任级别。最可信的级别是java核心API类。然后是安装的拓展类，最后才是在类路径中的类（属于你本机的类）。

3.1 虚拟机自带的加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）
①这个类加载使用了C/C++语言实现的，嵌套再JVM内部。
②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。
③并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
④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。
⑤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）
①Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
②派生于ClassLoader类
③父类加载器为启动类加载器（不是继承意义上的父类）
④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/1ib/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）

①java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
②派生于ClassLoader类
③父类加载器为扩展类加载器
④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
⑤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
⑥通过ClassLoader#getSystemclassLoader() 方法可以获取到该类加载器

3.2 用户自定义加载器

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，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。

为什么要自定义类加载器？

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

拓展：用户自定义类加载器实现步骤

①开发人员可以通过继承抽象类ava.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
②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
③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，使自定义类加载器编写更加简洁。

4 ClassLoader的使用说明

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

类中的方法：

sun.misc.Launcher 它是一个java虚拟机的入口应用

获取ClassLoader的途径

方式一：获取当前ClassLoader

Class.forName("java.lang.String").getClassLoader()

方式二：获取当前线程上下文的ClassLoader

Thread.currentThread().getContextClassLoader()

方式三：获取系统的ClassLoader

ClassLoader.getSystemClassLoader()

方式四：获取调用者的ClassLoader

DriverManager.getCallerClassLoader()

5 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。

双亲委派机制的优势
避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心API被随意篡改
自定义类：java.lang.String
自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang开头的类）

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。

6 拓展问题

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）来源同一个Class文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载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。

类的主动使用和被动使用

Java程序对类的使用方式分为：主动使用和被动使用。

主动使用，又分为七种情况：

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（“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
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

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。

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