图解类的加载过程及加载器的概述

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上图简单描述了类加载的几步,其中对类加载要理解到:
整个类加载器子系统负责从文件系统或网络中加载 Class 文件,class 文件在文件开头有特定的文件标识。类加载器只负责 class 文件的加载,至于是否可以运行,由 Execution Engine 决定。加载的类信息存放在方法区(版本不同叫法有差异)的内存空间。

类加载的过程

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。

另外,加载 .class 文件的方式有很多:
从本地系统直接加载
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

链接

链接的过程较为复杂,包括三个阶段:验证、准备和解析。

验证

  • 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。

准备

  • 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,准备阶段会显式初始化;
  • 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

  • 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。
    在解析阶段,jvm根据字符串的内容找到内存区域中相应的地址,然后把符号引用替换成直接指向目标的指针、句柄、偏移量等,这些直接指向目标的指针、句柄、偏移量就被成为 直接引用 。
  • 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。

  • 而 < 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()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。

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 自定义类加载器( User-Defined ClassLoader )

关于 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),Java 虚拟机规范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。

虚拟机自带的加载器

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启动类加载器 (引导类加载器,Bootstrap ClassLoader):这个类加载器使用 C/C++ 语言实现,嵌套在 JVM 内部。主要用来加载 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。它不继承自 java.lang.ClassLoader,没有父加载器。主要用来加载扩展类和应用程序加载器,并指定为™的父类加载器。处于安全考虑它只加载包名为 java、javax、sun开头的类。

扩展类加载器 (Extension ClassLoader) : 派生于 ClassLoader类,其父类加载器为启动类加载器。它从 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。

应用程序类加载器 (系统类加载器,AppClassLoader) :派生于 ClassLoader 类,父类加载器是扩展类加载器。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。是加载程序中默认的类加载器,一般 Java 应用的类都是由它来完成加载。

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三种类加载器相互配合执行的,在必要时,可以自定义类加载器。

自定义类加载器的原因

隔离加载类、修改类加载的方式、扩展加载源、防止源码泄漏

自定义加载器实现步骤

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,但 JDK1.2 后则是建议把自定义的类加载器逻辑编写在 findClass() 方法中。

在编写自定义类加载器时,如果没有过于复杂的需求,可以直接继承 URLClassLoader 类,这样就可以比卖你自己去编写 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简洁。

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