JVM02 - 类加载子系统

1.类加载系统的作用

2.加载阶段

2.1 加载流程

5.2 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

5.3 扩展类加载器（Extension ClassLoader）

5.4 系统类加载器（AppClassLoader）

1.类加载系统的作用

（1）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（0xCAFEBABE）。

（2）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。

（3）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）

（图片来源于网络）

2.加载阶段

2.1 加载流程

（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，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

2.2 加载class文件的方式

（1）从本地系统中直接加载

（2）通过网络获取，典型场景：Web Applet

（3）从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础

（4）运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术

（5）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

（6）从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

3.链接阶段

3.1 验证

（1）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。

（2）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。

3.2 准备

（1）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。

（2）不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配，准备阶段会显式初始化;

（3）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。

3.3 解析

（1）将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。

（2）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。

（3）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。

4.初始化阶段

（1）初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程。

（2）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，才会有clinit方法。

（3）<clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。

（4）<clinit>()不同于类的构造器。

（5）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。

（6）虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁。

当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法

示例 1：无 static 变量

public class ClinitTest {
    private int a = 1;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }
}

并没有生成 <clinit > 方法

示例 2：有 static 变量

public class ClinitTest {
    /**
     * 任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
     */
    private int a = 1;
    private static int c = 3;
    
    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

}

在<clinit >方法中初始化静态变量的值为 3

构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行

示例 1

public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;
    /**
     * linking之prepare: number = 0 --> initial: 10 --> 20
     */
    private static int number = 10;

    static {
        num = 2;
        number = 20;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);
        System.out.println(ClassInitTest.number);
    }
}

静态变量 number 的值变化过程如下

准备阶段时：0
执行静态变量初始化：10
执行静态代码块：20

构造器(构造方法)是虚拟机视角下的<init>()

public class ClinitTest {
   /**
    * 任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
    **/
    private int a = 1;
    private static int c = 3;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }
    public ClinitTest(){
        a = 10;
        int d = 20;
    }
}

在构造方法中：

先将类变量a赋值为 10
再将局部变量赋值为 20

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

public class ClinitTest1 {
    static class Father{
        public static int A = 1;
        static{
            A = 2;
        }
    }
    static class Son extends Father{
        public static int B = A;
    }
    public static void main(String[] args) {
       /**
        * 加载Father类，其次加载Son类
        */
        System.out.println(Son.B);
    }
}

如上代码，加载流程如下：

首先，执行 main() 方法需要加载ClinitTest1类
获取Son.B静态变量，需要加载Son类
Son类的父类是Father类，所以需要先执行Father类的加载，再执行Son类的加载

虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁

public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        };
        Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(r, "线程2");
        t1.start();
        t2.start();
    }
}
class DeadThread {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
            while (true) {
            }
        }
    }
}

程序卡死，分析原因：

两个线程同时去加载 DeadThread 类，而 DeadThread 类中静态代码块中有一处死循环
先加载 DeadThread 类的线程抢到了同步锁，然后在类的静态代码块中执行死循环，而另一个线程在等待同步锁的释放
所以无论哪个线程先执行 DeadThread 类的加载，另外一个类也不会继续执行

5.类加载器的分类

5.1 类加载器概述

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：

示例代码：

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println("系统类加载器："+systemClassLoader);

        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println("获取系统类加载器上层的扩展类加载器："+extClassLoader);

        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println("获取扩展类加载器上层的引导类加载器："+bootstrapClassLoader);

        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println("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 classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println("Java的核心类库都使用引导类加载器进行加载："+classLoader1);
    }
}

从结果上看，当我们尝试获取引导类加载器时，获取到的值为null，并不代表引导类加载器不存在，而是因为引导类加载器不是用Java语言编写的，JVM获取不到。

5.2 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）

启动类加载器，又叫引导类加载器，用C/C++语言实现，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。

5.3 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。

5.4 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。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应用的类都是由系统类加载器来完成加载，通过classLoader.getSystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器。

5.5 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。那为什么还需要自定义类加载器呢？目的：

（1）隔离加载类：可以用自定义加载器指定加载路径

（2）修改类加载的方式：可以

（3）扩展加载源：

（4）防止源码泄漏：

如何自定义类加载器？

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。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        //从自定义路径中加载指定类:细节略
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密，则需要在此方法中进行解密操作。
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

6.双亲委派机制

6.1 双亲委派机制的原理

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，其是一种任务委派模式，特点：

（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。

（4）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。

eg：

当我们加载jdbc.jar 用于实现数据库连接的时，首先我们需要知道的是 jdbc.jar是基于SPI接口进行实现的，所以在加载的时候，会进行双亲委派，最终从根加载器中加载 SPI核心类，然后再加载SPI接口类，接着在进行反向委托，通过线程上下文类加载器进行实现类 jdbc.jar的加载。

6.2 双亲委派机制作用

双亲委派机制的作用：

（1）避免类的重复加载：

（2）保护程序安全，防止核心API被随意篡改

内容整理自宋红康（康师傅）的B站教学视频：https://www.bilibili.com/video/BV1PJ411n7xZ?p=30