类加载器子系统作用：

  1. 类加载器子系统负责从文件系统或网络中加载 Class 文件，class 文件在文件开头都有特定的文件标识。
  2. Class Loader只负责class文件的加载，至于是否可以运行，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，可能还会包括字符串字面量和数字常量。

1. 内存结构概述

2. 类加载与类的加载过程

JVM（一） - 类加载器子系统_加载

加载：Loading

  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

补充：加载 .class 文件的方式

  • 从本地系统中直接加载
  • 网络获取
  • 从zip包中获取，成为日后 jar，war 格式的基础
  • 运行时计算生成，比如：动态代理
  • 由其他文件生成，比如：JSP
  • 从专有数据库提取
  • 从加密文件获取，防止反编译

验证：Verification

  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的要求，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

准备：Preparation

  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. 这里不包含用 final 修饰的 static，因为 final 在编译时就会分配了，准备阶段是会显式初始化
  3. 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：Resolution

  1. 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
  2. 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
  3. 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。
  4. 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_Methodred_info等

初始化：Initialization

  1. 初始化阶段就是执行类构造器方法()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
  3. 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行
  4. () 不同于类的构造器，
  5. 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
  6. 虚拟机必须保证一个类的 () 方法在多线程下被同步加载

3. 类加载器分类

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

无论类加载器如何划分，最常见的始终只有3个：

JVM（一） - 类加载器子系统_类加载器_02
// 获取系统类加载器：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(systemClassLoader);

// 获取上层：扩展类加载器：sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
System.out.println(extClassLoader);

// 获取上层：引导类加载器：null，因为是C++写的
ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
System.out.println(bootstrapClassLoader);

// 用户自定义类:sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader);

虚拟机自带的加载器

1. 启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）
  • 这个类加载使用 C/C++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，并指定为它们的父类加载器
  • 处于安全考虑，Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java，javax，sun等开头的类
2. 扩展类加载器（Extension ClassLoader)
  • Java语言编写，由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
  • 派生于ClassLoader类
  • 父类加载器为启动类加载器
  • 从java.ext.dirs 系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录下的jre/lib/ext子目录下加载类库。如果用户创建的JAR放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载
3. 应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader)
  • Java语言编写，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader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

用户自定义类加载器

日常开发中，类的加载几乎是由上面3种类加载器相互配合执行的，在必要时，还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。

为什么要自定义类加载器？
  1. 隔离加载类
  2. 修改类加载的方式
  3. 扩展加载源
  4. 防止源码泄露

4. Class Loader的使用说明

ClassLoader类是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）

方法名称 描述
getParent() 返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name) 加载名为name 的类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
findClass(String name) 查找名为name 的类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
findLoadedClass(String name) 查找名为name 的已经被加载过类，返回结果为 java.lang.Class 类的实例
defineClass(String name, byte[] b, int off, int len) 把字节数组b中的内容转换为一个Java类，返回结果为java.lang.Class类的实例
resolveClass(Class<?> c) 连接指定的一个 Java类

5. 双亲委派机制

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文件加载到内存中生成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，它是一种任务委派模式。

JVM（一） - 类加载器子系统_类加载器_03

工作原理
  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，这就是双亲委派模型
双亲委派机制的优势
  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

6. 其他

判断两个对象是否相同

  1. 在JVM中表示两个class对象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，包括报名
    • 加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同

  2. 即在JVM中，即使这两个类对象来源同一个Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的

类的主动使用与被动使用

Java程序对类的使用方式分为两种

  • 主动使用情况

    1. 创建类的实例

    2. 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值

    3. 调用类的静态方法

    4. 反射（如：Class.forName("cn.duniqb.Test")）

    5. 初始化一个类的子类

    6. Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

    7. 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7种，其他方式都被看做是被动使用，都不会导致类的初始化

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