《深入理解Java虚拟机》（第三版）读书笔记（五）：第七章 虚拟机类加载机制

《深入理解Java虚拟机》（第三版）读书笔记（五）：第七章 虚拟机类加载机制

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 读书笔记（四）对Class文件存储格式进行了记录，第七章讲的内容就是怎么加载这些Class文件，以及加载到虚拟机之后会发生什么变化。撸完这一章，再去b站看看JVM关于类加载的视频，食用效果估计更好…

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 开始正文前，先交代一下，什么叫做虚拟机的类加载机制：Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程就是虚拟机的类加载机制。

类加载的时机

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，整个生命周期将会经历加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称为连接（Linking）。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，解析阶段不一定。它可以在初始化阶段之后再开始。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 《Java虚拟机规范》严格规定了有且只有6种情况必须立即对类进行初始化（加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

• 遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这4条字节码指令的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先处罚其初始化阶段，能够生成这四条指令的典型场景有：

  • 使用new关键字实例化对象的时候
  • 读取或设置一个类型的静态字段（被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外）的时候
  • 调用一个类型的静态方法的时候

• 使用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候，如果类型没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

• 当初始化类的时候，如果发现其父类还没有初始化，则需要先触发其父类的初始化

• 当虚拟机启动的时候，用户需要指定一个要执行的主类，虚拟机会先初始化这个主类

• 当一个接口中定义了JDK8新加入的默认方法时，如果有这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

• 如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解析结果为REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic、REF_newInvokeSpecial四种类型的方法句柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。

  接口也有加载过程，和类加载过程不太一样，接口和类区别的地方是前面提到的六种”有且仅有“需要触发初始化场景的第三种：当一个类在初始化时，要求其父类全部都已经初始化过了，但是一个接口在初始化的时候，并不要求其父接口全部都完成了初始化，只有在真正使用到父接口的时候才会初始化。

类加载的过程

加载

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 在加载过程，JVM主要做三件事：首先是通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流；然后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；最后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。

• 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上。
• 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组标记为与引导类加载器关联。
• 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。
• 加载阶段结束后，Java虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所设定的格式存储在方法区之中了，方法区中的数据存储格式完全由虚拟机实现自行定义，《Java虚拟机规范》未规定此区域的具体数据结构。类型数据妥善安置在方法区之后，会在Java堆内存中实例化一个java.lang.Class类的对象，这个对象将作为程序访问方法区中的类型数据的外部接口。
• 加载阶段与连接阶段的部分动作（如一部分字节码文件格式验证动作）是交叉进行的，加载阶段尚未完成，连接阶段可能已经开始，但这些夹在加载阶段之中进行的动作，仍然属于连接阶段的一部分，这两个阶段的开始时间仍然保持着固定的先后顺序。

验证

​ 确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

准备

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 准备阶段是正式为类中定义的变量（即静态变量，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

解析

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

初始化

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 初始化阶段就是执行类构造器 <clinit>()方法的过程。 <clinit>()并不是程序员在Java代码中直接编写的方法，它是Javac编译器的自动生成物。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ <clinit>()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的，静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ <clinit>()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器 <init>()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的 <clinit>()方法执行前，父类的 <clinit>()()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的< <clinit>()方法的类型肯定是java.lang.Object。父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成 <clinit>()方法。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 <clinit>()方法。但接口与类不同的是，执行接口的 <clinit>()方法不需要先执行父接口的 <clinit>()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 <clinit>()方法。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ Java虚拟机必须保证一个类的 <clinit>()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的 <clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕 <clinit>()方法。

类加载器

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 类加载器在类层次划分、OSGi、程序热部署、代码加密等领域大放异彩，成为Java技术体系中一块重要的基石，它原本是为了满足Applet的需求而设计的，现在Applet淘汰了（浏览器方面）。

类与类加载器

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 这个概念还是第一次看见，代码复现来瞅瞅。

public class ClassLoaderTest {

	public static void main(String[] args) throws Exception {

		ClassLoader myLoader=new ClassLoader() {
			@Override
			public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
				try {
					String filaName=name.substring(name.lastIndexOf(".")+1)+".class";
					InputStream is=getClass().getResourceAsStream(filaName);
					if(is==null){
						return super.loadClass(name);
					}
					byte[] b=new byte[is.available()];
					is.read(b);
					return  defineClass(name,b,0,b.length);
				} catch (IOException e) {
					throw  new ClassNotFoundException(name);
				}
			}
		};

		Object obj=myLoader.loadClass("exam.offer.day05.ClassLoaderTest").newInstance();

		System.out.println(obj.getClass());
		System.out.println(obj instanceof exam.offer.day05.ClassLoaderTest);
	}
}

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 运行结果:

class exam.offer.day05.ClassLoaderTest
false

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 上面的代码是构造了一个简单的类加载器，并且用它加载了一个exam.offer.day05.ClassLoaderTest的类，并且实例化了。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ Java虚拟机中同时存在了两个ClassLoaderTest类，一个是由虚拟机的应用程序类加载器所加载的，另外一个是由我们自定义的类加载器加载的，虽然它们都来自同一个Class文件，但在Java虚拟机中仍然是两个互相独立的类，做对象所属类型检查时的结果自然为false。

双亲委派模型

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 从Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器，一个是启动类加载器（BootstrapClassLoader），使用C++实现的，是虚拟机的一部分；还有一个是其他所有的类加载器，由Java实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 类加载的双亲委派模型的层次关系如下图所示：

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 启动类加载器（Bootstrap Class Loader）：负责加载存放在<JAVA_HOME>\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是Java虚拟机能够识别的类库加载到虚拟机的内存中。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 扩展类加载器（Extension Class Loader）：这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA_HOME>\lib\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所指定的路径中所有的类库。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 应用程序类加载器（Application Class Loader）：这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem-ClassLoader()方法的返回值，所以有些场合中也称它为“系统类加载器”。它负责加载用户类路径（ClassPath）上所有的类库。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 双亲委派模型的工作过程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该传送到最顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 为什么使用双亲委派模型？安全，可以避免重复加载和避免核心类被篡改。如果我们自己写一个叫做java.lang.Object的类，放在ClassPath里，那么系统里会出现很多个Object类，但是使用了双亲委派模型，这个类虽然可被正常编译，但是无法被加载运行。因为首先是最顶端的类加载器加载系统的java.lang.Object类，最终自定义的类加载器无法加载java.lang.Object类。

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 特地找了下源码，对比着源码和注释看看，更容易理解整个工作过程。

    protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
        throws ClassNotFoundException
    {
        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
            // First, check if the class has already been loaded
            Class<?> c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                long t0 = System.nanoTime();
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                    // ClassNotFoundException thrown if class not found
                    // from the non-null parent class loader
                }

                if (c == null) {
                    // If still not found, then invoke findClass in order
                    // to find the class.
                    long t1 = System.nanoTime();
                    c = findClass(name);

                    // this is the defining class loader; record the stats
                    sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
                    sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

破坏双亲委派模型

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 整个破坏主要有3次。

->第一次破坏：发生在双亲委派模型出现之前。双亲委派模型是JDK1.2之后出现的，但是用户自定义类加载器已经存在了，所以双亲委派模型为了兼容已有代码，只能在java.lang.ClassLoader中添加一个新的protected方法findClass()，引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写该方法，而不是loadClass()。如果重写findClass()，然后在进行类似于类与类加载器那部分的代码，可以发现打印结果是true。关于实例测试可以看看－＞如何破坏双亲委派模型

->第二次破坏：由这个模型自身的缺陷所导致的，双亲委派很好地解决了各个类加载器的基础类的同一问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类之所以称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码调用的API，但世事往往没有绝对的完美。

​ 如果基础类又要调用回用户的代码，那该么办？

​ ​ ​ ​ ​ ​ 一个典型的例子就是JNDI服务，JNDI现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器去加载（在JDK1.3时放进去的rt.jar），但JNDI的目的就是对资源进行集中管理和查找，它需要调用由独立厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI接口提供者的代码，但启动类加载器不可能“认识”这些代码。

​​ ​ ​ ​ ​ ​ 为了解决这个问题，Java设计团队只好引入了一个不太优雅的设计：线程上下文类加载器(Thread Context ClassLoader)。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContextClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，他将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

​​ ​ ​ ​ ​ ​ 有了线程上下文加载器，JNDI服务就可以使用它去加载所需要的SPI代码，也就是父类加载器请求子类加载器去完成类加载的动作，这种行为实际上就是打通了双亲委派模型层次结构来逆向使用类加载器，实际上已经违背了双亲委派模型的一般性原则，但这也是无可奈何的事情。Java中所有涉及SPI的加载动作基本上都采用这种方式，例如JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等。

->第三次破坏：由于用户对程序动态性的追求导致的，这里所说的“动态性”指的是当前一些非常“热门”的名词：代码热替换、模块热部署等，简答的说就是机器不用重启，只要部署上就能用。

​ 以JDBC为例，详细说说双亲委派模型被破坏的例子。原生的JDBC中的类是放在rt.jar包的，由BootstrapClassLoader加载的，在JDBC中的Driver类中需要动态去加载不同数据库类型的Driver类，而mysql-connector-.jar中的Driver类是用户自己写的代码，那启动类加载器肯定是不能进行加载的，既然是自己编写的代码，那就需要由应用程序启动类去进行类加载，通过Thread Context ClassLoader就可以解决这个双亲委派模型被破坏的情况，顺利加载。

Java模块化系统

​ ​ ​ ​ ​ ​ ​ 模块化系统是JDK９引入的。如果启用了模块化进行封装，模块就可以声明对其他模块的显式依赖，这样Java虚拟机就能够在启动时验证应用程序开发阶段设定好的依赖关系在运行期是否完备，如有缺失那就直接启动失败，从而避免了很大一部分由于类型依赖而引发的运行时异常。

模块化下的类加载器

１.扩展类加载器（Extension Class Loader）被平台类加载器（Platform Class Loader）取代

２.平台类加载器和应用程序类加载器都不再派生自java.net.URLClassLoader