JVM入门——类加载子系统
内存结构概述
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类加载器子系统的作用
类加载器子系统负责从文件或网络中加载 Class 文件，Class 文件在文件开头有特定的文件标识。
其中：
- 加载阶段 的类加载器（
ClassLoader）只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由 执行引擎（ExcutionEngine）决定。 - 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)
类的加载过程
- 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，作为这个方法区这个类的各种数据的访问入口
链接过程
-
验证 (Verification):
- 这个阶段主要用于确保类文件的字节码符合Java语言规范，不会破坏Java虚拟机的安全性。验证包括四个子阶段：
文件格式验证：检查类文件的基本结构，如魔数、版本号等。元数据验证：检查类的元数据信息，如类的继承关系、实现的接口等。字节码验证：分析类的方法字节码，确保操作码的正确性、类型安全等。符号引用验证：确保常量池中的符号引用能正确解析到相应的类、字段和方法。
- 这个阶段主要用于确保类文件的字节码符合Java语言规范，不会破坏Java虚拟机的安全性。验证包括四个子阶段：
-
准备 (Preparation):
- 在这个阶段，Java虚拟机会为类的 静态变量 分配内存，并将其初始化为默认值。对于基本类型，这些值是零值（如0，false等）；对于 引用类型 ，则是null。注意，这个阶段不会执行任何静态初始化代码，只是进行内存分配和默认值初始化。
-
解析 (Resolution):
- 解析阶段将常量池中的 符号引用 （Symbolic References）转换为 直接引用 （Direct References）。这一过程包括：
类或接口的解析：将符号引用转换为具体的类或接口。字段的解析：将字段符号引用转换为具体的字段引用。方法的解析：将方法符号引用转换为具体的方法引用。
- 解析阶段将常量池中的 符号引用 （Symbolic References）转换为 直接引用 （Direct References）。这一过程包括：
初始化
- 初始化阶段是类加载过程的最后一步，这个阶段才真正开始执行类中定义的Java程序代码。在这个阶段，Java虚拟机负责执行类的静态初始化代码块和静态变量的初始化语句。这个过程按照程序代码在源文件中出现的顺序执行，保证了Java程序的一致性和可预测性。初始化阶段具体包括：
- 静态变量的显示初始化：如果类中的静态变量有显示的初始化语句（如
private static int value = 3;），这些语句会在此阶段执行。 - 静态初始化块的执行：如果类中包含静态初始化块（如
static { ... }），这些块也会在此阶段执行。 - 父类的初始化：如果这个类有父类，并且父类还没有被初始化，则会先初始化父类。Java虚拟机保证一个类在子类初始化之前，其父类已经完成了初始化。
- 接口的初始化：如果类实现了接口，接口中的静态字段（如果有的话）也会被初始化。但接口的初始化遵循稍微不同的规则，即只有当真正使用到接口的静态字段时，才会触发接口的初始化。
- 静态变量的显示初始化：如果类中的静态变量有显示的初始化语句（如
类加载器（ClassLoader）
什么是类加载器
类加载器（ClassLoader）是Java中的一个重要组成部分，负责将类文件（
.class文件）加载到Java虚拟机（JVM）的内存空间中。
类加载的步骤
- class file（在下图中就是Car.class文件）存在于本地硬盘上，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候是要加载到JVM当中来根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（在下图中就是内存中的Car Class），放在方法区。
- 在.class文件–>JVM–>最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器Class Loader），扮演一个快递员的角色。
类加载器的继承关系
Java中的ClassLoader是一个抽象类，有多个实现类，例如系统类加载器（System ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）和引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）等。
这些类加载器以一种父子链的形式组织起来，形成了类加载器的层次结构。
这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是子父类的继承关系
虚拟机自带的加载器
启动类加载器
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
扩展类加载器
扩展类加载器（Extension ClassLoader）
- Java语言编写，由
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现 - 派生于ClassLoader类
- 父类加载器为启动类加载器
- 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载
系统类加载器
应用程序类加载器（也称为系统类加载器，AppClassLoader）
- Java语言编写，由
sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现 - 派生于ClassLoader类
- 父类加载器为扩展类加载器
- 它负责加载环境变量classpath或系统属性java.class.path指定路径下的类库
- 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载
- 通过classLoader.getSystemclassLoader()方法可以获取到该类加载器
public class ClassLoaderTest1 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("**********启动类加载器**************");
//获取BootstrapClassLoader能够加载的api的路径
URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (URL element : urLs) {
System.out.println(element.toExternalForm());
}
//从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:引导类加载器
ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader);
System.out.println("***********扩展类加载器*************");
String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
for (String path : extDirs.split(";")) {
System.out.println(path);
}
//从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:扩展类加载器
ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
}
}
输出结果
**********启动类加载器**************
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/classes
null
***********扩展类加载器*************
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext
C:\Windows\Sun\Java\lib\ext
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@29453f44
类加载器的获取方式
| 类加载器 | 方式 |
|---|---|
获取当前类的ClassLoader | clazz.getClassLoader() |
获取当前线程上下文的 ClassLoader | Thread.currentThread().getContextClassLoader() |
获取系统的 ClassLoader | ClassLoader.getSystermClassLoader() |
获取调用者的 ClassLoader | DriverManager.getCallerClassLoader |
双亲委派机制
工作原理
- 如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给 父类 的加载器去执行
- 如果 父类 加载器还存在其 父类，则会进一步想上
委托，直到达到最顶层的启动类加载器 - 如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。
案例证明1
该程序中，自行创建了一个 String 类
String:
public class String {
static {
System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
}
}
StringTest:
public class StringTest {
public static void main(String[] args) {
String str = new String();
System.out.println("hello, zxb");
}
}
实际的输出结果：
hello, zxb
此时由启动类加载器启动类加载器加载
案例证明2
代码：
public class StringTest2 {
public static void main(String[] args) {
StringTest2 test = new StringTest2();
System.out.println(test.getClass().getClassLoader());
}
}
输出：
jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@36baf30c
此时为 系统类加载器
第三方类加载图
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.SecurityException:Prohibited package name:java.lang
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。
其他机制
class对象的判断
判断 class 是否为同一个类，需要满足一下两个条件：
- 类的完整类名必须一致，包括包名。
- 加载这个类的
ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同。
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。
主动使用，又分为七种情况：
- 创建类的实例
- 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
- 调用类的静态方法
- 反射（比如：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，都不会导致类钓初始化。
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