第二章 类加载器子系统
1.内存结构概述
假设自己手写一个java虚拟机，必须考虑的结构：
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类加载器
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执行引擎
2.类加载子系统
类加载器子系统的作用
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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（cafebaby)。
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ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Engine决定。(菜由阿姨准备，能不能炒由厨师决定)
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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）
类加载器ClassLoader角色
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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。
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class file 加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。
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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。
类加载过程
public class HelloLoader {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("谢谢ClassLoader加载我....");
System.out.println("你的大恩大德，我下辈子再报！");
}
}
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执行 main( ) 方法（静态方法）就需要先加载承载类 HelloLoader
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加载成功，则进行链接、初始化等操作，完成后调用 HelloLoader 类中的静态方法 main
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加载失败则抛出异常
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完整的流程图如下所示：加载 --> 链接（验证 --> 准备 --> 解析） --> 初始化
加载阶段
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加载
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通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
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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
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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
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加载
.class文件的方式
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从本地系统中直接加载
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通过网络获取，典型场景：Web Applet
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从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础
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运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术
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由其他文件生成，典型场景：JSP应用
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从专有数据库中提取.class文件，比较少见
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从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施
链接阶段
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验证
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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安全
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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。
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使用 BinaryViewer 查看字节码文件，其开头均为 CAFE BABE ，如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过
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准备
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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
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这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就已经分配了默认值，准备阶段会显式初始化
注意：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
public class HelloApp {
private static int a = 1; //prepare：a = 0 ---> initial : a = 1
public static void main(String[] args) {
System.out.println(a);
}
}
变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0，在初始化阶段会被赋值为 1
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解析
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将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
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事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行
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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
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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 Methodref info等
反编译class文件查看符号引用
初始化阶段
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初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程
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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。也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有<clinit>( )方法；如果当前类不存在static变量，那么它的字节码文件是不会存在<clinit>( )
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<clinit>()方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行
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<clinit>()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）
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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 虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多线程下被同步加锁
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IDEA安装JClassLib插件
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当代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法，否则没有
public class ClassInitTest {
private static int num = 1;
static {
num = 3;
}
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ClassInitTest.num);
}
}
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如果当前类不存在static变量，那么它的字节码文件是不会存在( )
public class ClinitTest {
private int a = 1;
public static void main(String[] args) {
int b = 2;
}
}
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( )方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行
public class ClassInitTest {
private static int num = 1;
static {
num = 3;
number = 20;
System.out.println(num); //3
//System.out.println(number); //报错：非法的前向引用（可以赋值，但不能调用）
}
//linking阶段的prepare环节：number = 0 --> Initialization阶段：20 --> 10
private static int number = 10;
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ClassInitTest.num); //3
System.out.println(ClassInitTest.number); //10
}
}
静态变量 number 的值变化过程:
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准备阶段时：默认初始化 0
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执行静态代码块：20
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执行静态变量初始化：10
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构造器是虚拟机视角下的( )
public class ClinitTest {
//任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
private int a = 1;
private static int c = 3;
public static void main(String[] args) {
int b = 2;
}
public ClinitTest(){
a = 10;
int d = 20;
}
}
在构造器中：
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先将类变量 a 赋值为 10
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再将局部变量 d 赋值为 20
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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
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) {
//加载Father类，其次加载Son类。
System.out.println(Son.B); //2
}
}
加载流程如下：
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首先，执行 main( ) 方法需要加载 ClinitTest1 类
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获取 Son.B 静态变量，需要加载 Son 类
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Son 类的父类是 Father 类，所以需要先执行 Father 类的加载，再执行 Son 类的加载
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虚拟机必须保证一个类的( )方法在多线程下被同步加锁(一个类模板只需要加载一份到内存中)
public class DeadThreadTest {
public static void main(String[] args) {
Runnable r = () -> {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
DeadThread dead = new DeadThread();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
};
Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
Thread t2 = new Thread(r, "线程2");
t1.start();
t2.start();
}
}
class DeadThread {
static {
if (true) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
while (true) {
}
}
}
}
程序卡死原因：
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两个线程同时去加载 DeadThread 类，而 DeadThread 类中静态代码块中有一处死循环
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先加载 DeadThread 类的线程抢到了同步锁，然后在类的静态代码块中执行死循环，而另一个线程在等待同步锁的释放
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所以无论哪个线程先执行 DeadThread 类的加载，另外一个类也不会继续执行
3.类加载器的分类
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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）
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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
规范定义：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
ExtClassLoader 继承树
AppClassLoader 继承树
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); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
//获取系统类加载器的上层：扩展类加载器
ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
System.out.println(extClassLoader); //sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@61bbe9ba
//获取扩展类加载器的上层：获取不到引导类加载器
ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
System.out.println(bootstrapClassLoader);//null
//对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载
ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader); //sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
//String类使用引导类加载器进行加载的。---> Java的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1); //null
}
}
注意：
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getParent() 只是获取其上层的加载器，并不是继承关系
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我们尝试获取引导类加载器，获取到的值为 null ，这并不代表引导类加载器不存在，因为引导类加载器是由 C/C++ 语言构成的，所以我们是获取不到
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两次获取系统类加载器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，这说明系统类加载器是全局唯一的
虚拟机自带的加载器
启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）
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这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
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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
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并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器
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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（当它俩的爹）
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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（Extension ClassLoader）
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Java语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
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派生于ClassLoader类
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父类加载器为启动类加载器
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从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装目录的 jre / lib / ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的 JAR 放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载
应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）
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Java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现
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派生于ClassLoader类
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父类加载器为扩展类加载器
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它负责加载环境变量 classpath 或 系统属性java.class.path指定路径下的类库
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该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java应用的类都是由它来完成加载的
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通过classLoader.getSystemclassLoader( )方法可以获取到该类加载器
public class ClassLoaderTest1 {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("**********启动类加载器**************");
//获取BootstrapClassLoader能够加载的api的路径
URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (URL element : urLs) {
System.out.println(element.toExternalForm());
}
//从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:引导类加载器
ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader); //null
System.out.println("***********扩展类加载器*************");
String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
for (String path : extDirs.split(";")) {
System.out.println(path);
}
//从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:扩展类加载器
ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
}
}
*********启动类加载器**************
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/resources.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/rt.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/jce.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/charsets.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/jfr.jar
file:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/classes
null
**********扩展类加载器*************
/Users/lijiatu/Library/Java/Extensions:/Library/Java/JavaVirtualMachines/jdk1.8.0_241.jdk/Contents/Home/jre/lib/ext:/Library/Java/Extensions:/Network/Library/Java/