JVM学习笔记02-类加载器子系统

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原创 2022-02-28 10:09:40 276 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

深入理解Java类加载机制 Java的类加载机制是JVM实现的重要部分，了解类加载的过程、类加载器的工作原理以及双亲委派模型，有助于我们更好地编写和调试Java程序。希望本文的介绍和示例能够帮助你深入理解Java的类加载机制。如果有任何问题或进一步的讨论，欢迎随时交流。本文已收录于，我的技术网站，有大厂完整面经，工作技术，架构师成长之路，等经验分享。阅读详情

4.1、引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

4.2、扩展类加载器（Extension Class Loader）

4.3、系统类加载器（System Class Loader）

4.4、用户类加载器（User Defined Class Loader）

5、双亲委派机制

6、其他

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1、类加载器子系统的作用

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
类加载（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（Execution Engine）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）

2、类加载器ClassLoader角色

class file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,放在方法区。
在class文件-> JVM ->最终成为元数据模板,此过程就要-个运输工具(类装载器Class Loader) ,扮演一个快递员的角色。

3、类的加载过程

3.1、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

补充：加载.calss文件的方式

从本地系统中直接加载
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.calss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

3.2、链接

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的安全
- 主要包括四种验证：文件格式验证（Java的是CAFEBABE）、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
- 这里不包括含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显示初始化
- 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
- 将常量池中的符号引用的过程
- 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。符号引用的字面量或一个间接定位到目标的句柄
- 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。对应常量池的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fielder_info、CONSTANT_Methodref_info等
初始化
- 初始化阶段就是执行类构造器方法()过程
- 此方法不需要定义，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照语句在源文件中出现的顺序执行
- ()不同于类的构造器（关联：构造器是虚拟机视角下的()）
- 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()方法在多线程下被同步加锁

4、类加载器的分类

JVM支持两种类型的类加载器，分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类类加载器（User-Defined ClassLoader）
这里的自定义类加载器指：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

程序中，我们最常见的类加载器

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）非Java语言实现的
扩展类加载器（Extension Class Loader）
系统类加载器（System Class Loader）
用户类加载器（User Defined Class Loader）

4.1、引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

这个类加载器使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar、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
加载扩张类和应用程序类加载器，并指定为它们的父类加载器
出于安全考虑，引导启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

4.2、扩展类加载器（Extension Class Loader）

Java语言编写
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，也会自动有扩展类加载器加载

4.3、系统类加载器（System Class Loader）

Java语言编写
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
该类加载器是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是有它来完成加载
通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

4.4、用户类加载器（User Defined Class Loader）

Q:为什么要自定义类加载器?

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

Q:如何自定义类加载器？

继承抽象类java.lang.ClassLoader
JDK1.2前，需要在从写loadClass()方法，JDK1.2之后，建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中
如果没有太过复杂的需求，可以直接继承URLClassLoader类

5、双亲委派机制

工作原理：

如果一个类加载器收到类加载请求，它并不会立即自己去加载，而是把这个请求委托给父类加载器去执行
如果父类加载器还存在父类加载器，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
如果父类加载器可以完成类加载任务，就完成返回，倘若父类加载器无法完成此加载器任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式

优势：

避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心的API被篡改

沙箱安全机制：通过双亲委派机制，保证对Java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

6、其他

4.1、引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

4.2、扩展类加载器（Extension Class Loader）

4.3、系统类加载器（System Class Loader）

4.4、用户类加载器（User Defined Class Loader）

5、双亲委派机制

6、其他

在JVM中，如何证明两个class对象是否为同一个类必须满足的两个条件：

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

对类加载器的引用:

JVM必须知道一个类型是有启动类加载器加载的还是由用户类加载器加载的。
如果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分保存在方法区中
当解析一个类型到另一个类型的引用的时候，JVM需要保证这两个类型的类加载器是相同的

Java程序对类的使用方式：

主动使用（7种）：

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
初始化一个类的子类
JVM启动时被标明为启动类的类
JDK 7 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句柄对应类没有初始化，则初始化

被动使用：除了主动使用，其他使用Java类的方式被称为被动使用，都不会导致类的初始化