类加载子系统

概述

完整图如下：

若是自己想手写一个 Java 虚拟机的话，主要思量哪些结构呢？

• 类加载器
• 执行引擎

类加载器子系统作用

类加载器子系统卖力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（CAFE BABE）。

ClassLoader 只卖力 Class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由 Execution Engine 决议。

加载的类信息存放于一块称为方式区的内存空间。除了类的信息外，方式区中还会存放运行时常量池信息，可能还包罗字符串字面量和数字常量（这部门常量信息是 Class 文件中常量池部门的内存映射）

• class file 存在于内陆硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时刻是要加载到 JVM 当中来凭据这个文件实例化出 n 个一模一样的实例。
• class file 加载到 JVM 中，被称为 DNA 元数据模板，放在方式区。
• 在 .class 文件 -> JVM -> 最终成为元数据模板，此历程就要一个运输工具（类装载器 Class Loader），饰演一个快递员的角色。

类的加载历程

例如下面的一段简朴的代码

/**
 * 类加载子系统
 * @author: Nemo
 */
public class HelloLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("我已经被加载啦");
    }
}

它的加载历程是怎么样的呢?

完整的流程图如下所示

加载阶段

1. 通过一个类的全限命名获取界说此类的二进制字节省

2. 将这个字节省所代表的静态存储结构转化为方式区的运行时数据结构

3. 在内存中天生一个代表这个类的 java.lang.Class 工具，作为方式区这个类的种种数据的接见入口

加载.class文件的方式

• 从内陆系统中直接加载
• 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 花样的基础
• 运行时盘算天生，使用最多的是：动态署理手艺
• 由其他文件天生，典型场景：JSP 应用从专有数据库中提取 .class 文件，对照少见
• 从加密文件中获取，典型的防止 Class 文件被反编译的珍爱措施

链接阶段

验证(Verify)

• 目的在于确保 Class 文件的字节省中包罗信息相符当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身平安。

• 主要包罗四种验证，文件花样验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

工具：Binary Viewer 查看

若是泛起不合法的字节码文件，那么将会验证不通过

同时我们可以通过安装 IDEA 的插件，来查看我们的 Class 文件

安装完成后，我们编译完一个 class 文件后，点击 view 即可显示我们安装的插件来查看字节码方式了

准备(Prepare)

• 为类变量分配内存而且设置该类变量的默认初始值，即零值。

• 这里不包罗用 final 修饰的 static，由于 final 在编译的时刻就会分配了，准备阶段会显式初始化；

• 这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方式区中，而实例变量是会随着工具一起分配到 Java 堆中。

例如下面这段代码

/**
 * @author: Nemo
 */
public class HelloApp {
    private static int a = 1;  // 准备阶段为0，在下个阶段，也就是初始化的时刻才是1
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

上面的变量 a 在准备阶段会赋初始值，但不是 1，而是 0。

剖析(Resolve)

• 将常量池内的符号引用转换为直接引用的历程。

• 事实上，剖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形貌所引用的目的。符号引用的字面量形式明确界说在《Java 虚拟机规范》的 Class 文件花样中。直接引用就是直接指向目的的指针、相对偏移量或一个间接定位到目的的句柄。

• 剖析动作主要针对类或接口、字段、类方式、接口方式、方式类型等。对应常量池中的 CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等

初始化阶段

初始化阶段就是执行类组织器法 <clinit>() 的历程。

此方式不需界说，是 javac 编译器自动网络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，当我们代码中包罗 static 变量的时刻，就会有 clinit 方式

java大数据最全课程学习笔记(5)–MapReduce精通(一)

组织器方式中指令按语句在源文件中泛起的顺序执行。

<clinit>() 差别于类的组织器。（关联：组织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。

任何一个类在声明后，都有天生一个组织器，默认是空参组织器

/**
 * @author: Nemo
 */
public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;
    static {
        num = 2;
        number = 20;
        System.out.println(num);
        System.out.println(number);  //报错，非法的前向引用
    }

    private static int number = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num); // 2
        System.out.println(ClassInitTest.number); // 10
    }
}

关于涉及到父类时刻的变量赋值历程

/**
 * @author: Nemo
 */
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) {
        System.out.println(Son.b);
    }
}

我们输出效果为 2，也就是说首先加载 ClinitTest1 的时刻，会找到 main 方式，然后执行 Son 的初始化，然则 Son 继续了 Father，因此还需要执行 Father 的初始化，同时将 A 赋值为 2。我们通过反编译获得 Father 的加载历程，首先我们看到原来的值被赋值成 1，然后又被复制成 2，最后返回

iconst_1
putstatic #2 <com/atguigu/java/chapter02/ClinitTest1$Father.A>
iconst_2
putstatic #2 <com/atguigu/java/chapter02/ClinitTest1$Father.A>
return

虚拟机必须保证一个类的 <clinit>() 方式在多线程下被同步加锁。

/**
 * @author: Nemo
 */
public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t1最先");
            new DeadThread();
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t2最先");
            new DeadThread();
        }, "t2").start();
    }
}
class DeadThread {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 初始化当前类");
            while(true) {

            }
        }
    }
}

上面的代码，输出效果为

线程t1最先
线程t2最先
线程t2 初始化当前类

从上面可以看出初始化后，只能够执行一次初始化，这也就是同步加锁的历程

类加载器的分类

JVM 支持两种类型的类加载器 。分别为指导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自界说类加载器（User-Defined ClassLoader）。

从观点上来讲，自界说类加载器一样平常指的是程序中由开发人员自界说的一类类加载器，然则 Java 虚拟机规范却没有这么界说，而是将所有派生于抽象类 ClassLoader 的类加载器都划分为自界说类加载器。

无论类加载器的类型若何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有 3 个，如下所示：

这里的四者之间是包罗关系，不是上层和下层，也不是子系统的继续关系。

我们通过一个类，获取它差别的加载器

/**
 * @author: Nemo
 */
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);

        // 获取其上层的：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);

        // 试图获取 根加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);

        // 获取自界说加载器
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        
        // 获取String类型的加载器
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);
    }
}

获得的效果，从效果可以看出 根加载器无法直接通过代码获取，同时现在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举行加载的，也就是说 Java 的焦点类库都是使用根加载器举行加载的。

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
null 

虚拟机自带的加载器

启动类加载器（指导类加载器，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 的焦点库（JAVAHOME/jre/1ib/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
• 并不继续自 java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
• 加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
• 出于平安思量，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）

• 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/1ib/ext 子目录（扩展目录）下加载类库。若是用户建立的 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）

• 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
• 它卖力加载环境变量 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，一样平常来说，Java 应用的类都是由它来完成加载
• 通过 classLoader#getSystemclassLoader() 方式可以获取到该类加载器

用户自界说类加载器

在 Java 的一样平常应用程序开发中，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，我们还可以自界说类加载器，来定制类的加载方式。

为什么要自界说类加载器？

• 隔离加载类
• 修改类加载的方式
• 扩展加载源
• 防止源码泄露

用户自界说类加载器实现步骤：

1. 开发人员可以通过继续抽象类 java.lang.ClassLoader 类的方式，实现自己的类加载器，以知足一些特殊的需求
2. 在 JDK1.2 之前，在自界说类加载器时，总会去继续 ClassLoader 类并重写 loadClass() 方式，从而实现自界说的类加载类，然则在 JDK1.2 之后已不再建议用户去笼罩 loadclass() 方式，而是建议把自界说的类加载逻辑写在 findclass() 方式中
3. 在编写自界说类加载器时，若是没有太过于庞大的需求，可以直接继续 URIClassLoader 类，这样就可以制止自己去编写 findclass() 方式及其获取字节码流的方式，使自界说类加载器编写加倍简练。

查看根加载器所能加载的目录

刚刚我们通过观点领会到了，根加载器只能够加载 java /lib 目录下的 class，我们通过下面代码验证一下

/**
 * @author: Nemo
 */
public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("*********启动类加载器************");
        // 获取BootstrapClassLoader 能够加载的API的路径
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL url : urls) {
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }

        // 从上面路径中，随意选择一个类，来看看他的类加载器是什么：获得的是null，说明是  根加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
    }
}

获得的效果

*********启动类加载器************
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
null

关于ClassLoader

ClassLoader 类，它是一个抽象类，厥后所有的类加载器都继续自 ClassLoader（不包罗启动类加载器）

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
  clazz.getClassLoader()

  一样平常用 clazz 示意一个类的实例，而 class 只是个关键字

• 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：获取挪用者的 ClassLoader
  DriverManager.getCallerClassLoader()

双亲委派机制

Java 虚拟机对 class 文件接纳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 文件加载到内存天生 class 工具。而且加载某个类的 class 文件时，Java 虚拟机接纳的是双亲委派模式，即把请求交由父类处置，它是一种义务委派模式。

事情原理

1. 若是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. 若是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. 若是父类加载器可以完成类加载义务，就乐成返回，倘若父类加载器无法完成此加载义务，子加载器才会实验自己去加载，这就是双亲委派模式。

双亲委派机制举例

当我们加载 jdbc.jar 用于实现数据库毗邻的时刻，首先我们需要知道的是 jdbc.jar 是基于 SPI 接口举行实现的，所以在加载的时刻，会举行双亲委派，最终从根加载器中加载 SPI 焦点类，然后在加载 SPI 接口类，接着在举行反向委派，通过线程上下文类加载器举行实现类 jdbc.jar 的加载。

双亲委派机制的优势

通过上面的例子，我们可以知道，双亲机制可以

• 制止类的重复加载
• 珍爱程序平安，防止焦点 API 被随意窜改
  • 自界说类：java.lang.String
  • 自界说类：java.lang.ShkStart（报错：阻止建立 java.lang 开头的类）

沙箱平安机制

沙盒（英语：sandbox，又译为沙箱），盘算机术语，在盘算机平安领域中是一种平安机制，为运行中的程序提供的隔离环境。

自界说 String 类，然则在加载自界说 String 类的时刻会率先使用指导类加载器加载，而指导类加载器在加载的历程中会先加载j dk 自带的文件（rt.jar 包中 java\lang\String.class），报错信息说没有 main 方式，就是由于加载的是 rt.jar 包中的 String 类。这样可以保证对 Java 焦点源代码的珍爱，这就是沙箱平安机制。

其它

若何判断两个 class 工具是否相同

在JVM中示意两个 class 工具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，包罗包名。
• 加载这个类的 ClassLoader（指 ClassLoader 实例工具）必须相同。

换句话说，在 JVM 中，纵然这两个类工具（class 工具）泉源同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的 ClassLoader 实例工具差别，那么这两个类工具也是不相等的。

JVM 必须知道一个类型是由启动加载器加载的照样由用户类加载器加载的。若是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门保存在方式区中。当剖析一个类型到另一个类型的引用的时刻，JVM 需要保证这两个类型的类加载器是相同的。

类的自动使用和被动使用

Java 程序对类的使用方式分为：王动使用和被动使用。

自动使用，又分为七种情形：

• 建立类的实例
• 接见某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
• 挪用类的静态方式
• 反射（好比：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
• JDK7 最先提供的动态语言支持：
• java.lang.invoke.MethodHandle 实例的剖析效果 REF getStatic、REF putStatic、REF invokeStatic 句柄对应的类没有初始化，则初始化

除了以上七种情形，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。