JVM-类加载子系统-搜云库技术团队

一、JVM架构图

二、类加载子系统的作用

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即16进制CA TE BA BE
加载后的Class类信息存放于一块成为方法区的内存空间。除了类信息之外，方法区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）
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
如果调用构造器实例化对象，则其实例存放在堆区

三、类的加载过程

1.加载阶段

通过一个类的全限定明获取定义此类的二进制字节流；
将这个字节流所代表的的静态存储结构转化为方法区的运行时数据；
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

2.链接阶段

2.1 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，源数据验证，字节码验证，符号引用验证。

2.2 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sttic，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化；
之类不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法去中，而实例变量是会随着对象一起分配到java堆中。

2.3 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，解析操作网晚会伴随着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。符号应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。

3.初始化阶段

clinit()即“class or interface initialization method”，注意他并不是指构造器init()
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。
当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法
构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行
虚拟机必须保证一个类的clinit()方法在多线程下被同步加锁。即一个类只需被clinit一次，之后该类的内部信息就被存储在方法区。

可以看到线程2并不会重复执行初始化操作

四、类加载器的分类

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：图中的加载器划分关系为包含关系，并不是继承关系
按照这样的加载器的类型划分，在程序中我们最常见的类加载器是：引导类加载器BootStrapClassLoader、自定义类加载器(Extension Class Loader、System Class Loader、User-Defined ClassLoader）

1.自定义类与核心类库的加载器

对于用户自定义类来说：使用系统类加载器AppClassLoader进行加载
java核心类库都是使用引导类加载器BootStrapClassLoader加载的

/**
 * ClassLoader加载
 */
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@610455d6

        //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：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核心类库都是使用引导类加载器加载的
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null获取不到间接证明了String 类使用引导类加载器进行加载的

    }
}

2.虚拟机自带的加载器

2.1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
加载拓展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父加载器，即ClassLoader
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

*********启动类加载器BootStrapClassLoader能够加载的api路径有************
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/resources.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/rt.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/jce.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/Software/JDK1.8/Java/jre/classes

2.2 拓展类加载器（Extension ClassLoader）

java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。
派生于ClassLoader类
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，也会由拓展类加载器自动加载。

2.3 应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。
派生于ClassLoader类
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
该类加载器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

/**
 * 虚拟机自带加载器
 */
public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("********启动类加载器*********");
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        //获取BootStrapClassLoader能够加载的api路径
        for (URL e:urls){
            System.out.println(e.toExternalForm());
        }

        //从上面的路径中随意选择一个类 看看他的类加载器是什么
        //Provider位于 /jdk1.8.0_171.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar 下，引导类加载器加载它
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//null

        System.out.println("********拓展类加载器********");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")){
            System.out.println(path);
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类 看看他的类加载器是什么:拓展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4dc63996
    }
    /*
    sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
    null
    sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
    null 
    */
}

得到的结果，从结果可以看出根加载器无法直接通过代码获取，同时目前用户代码所使用的加载器为系统类加载器。同时我们通过获取String类型的加载器，发现是null，那么说明String类型是通过根加载器进行加载的，也就是说Java的核心类库都是使用根加载器进行加载的。

3.用户自定义类加载器

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

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ava.1ang.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1oadClass（）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1oadclass（）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。

五、ClassLoader的常用方法及获取方法

1.ClassLoader类，它是一个抽象类，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

2.ClassLoader继承关系

拓展类加载器和系统类加载器间接继承于ClassLoader抽象类

3. 获取ClassLoader的途径

六、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。

1.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。

2.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（java.lang包需要访问权限，阻止我们用包名自定义类）

七、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。

八、补充

1.JVM中表示两个class对象是否为同一个类

在jvm中表示两个class对象是否为同一个类存在的两个必要条件
- 类的完整类名必须一致，包括包名
- 即使类的完整类名一致，同时要求加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同；是引导类加载器、还是定义类加载器
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有启动类加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型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需要保证两个类型的加载器是相同的。

2.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，即是否调用了clinit()方法

主动使用在类加载系统中的第三阶段initialization即初始化阶段调用了clinit()方法，而被动使用不会去调用

主动使用，分为七种情况：

创建类的实例
访问某各类或接口的静态变量，或者对静态变量赋值
调用类的静态方法
反射比如Class.forName(com.dsh.jvm.xxx)
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。

文章永久链接：https://tech.souyunku.com/26645

JVM-类加载子系统