java 类加载器

类是在运⾏期间第⼀次使⽤时动态加载的，⽽不是⼀次性加载所有类。因为如果⼀次性加载，那么会占 ⽤很多的内存

 

 加载

 

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

类的生命周期
当我们编写一个java的源文件后，经过编译会生成一个后缀名为class的文件，这种文件叫做字节码文件，只有这种字节码文件才能够在java虚拟机中运行，java类的生命周期就是指一个class文件从加载到卸载的全过程。

 

 其中类加载的过程包括了加载、验证、准备、解析、初始化五个阶段

加载：查找并加载类的二进制数据

   加载时类加载过程的第一个阶段，在加载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

    1、通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。

    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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

    相对于类加载的其他阶段而言，加载阶段（准确地说，是加载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载，也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

    加载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

•链接

 – 验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。

字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

 

 – 准备：为类的变量分配内存，并将其初始化为默认值

   准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

    1、这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

    2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

   假设一个类变量的定义为：public static int value = 3；

   那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

· 这里还需要注意如下几点：
· 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
· 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
· 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
· 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

    3、如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。

   假设上面的类变量value被定义为： public static final int value = 3；

   编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为3。回忆上一篇博文中对象被动引用的第2个例子，便是这种情况。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

 

 – 解析：把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，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、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。符号引用与虚拟机的内存布局无关，引用的目标并不一定加载到内存

2.直接引用：

 直接引用可以是

（1）直接指向目标的指针（比如，指向“类型”【Class对象】、类变量、类方法的直接引用可能是指向方法区的指针）

（2）相对偏移量（比如，指向实例变量、实例方法的直接引用都是偏移量）

（3）一个能间接定位到目标的句柄

直接引用是和虚拟机的布局相关的，同一个符号引用在不同的虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经被加载入内存中了

•初始化

初始化过程是执行类构造方法<clinit>的过程

 

 

 初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

  ①声明类变量是指定初始值

  ②使用静态代码块为类变量指定初始值

 JVM初始化步骤

 1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类

 2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类

 3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

– 创建类的实例，也就是new的方式

– 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（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）

– 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化

– Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类

 

结束生命周期

•在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

– 执行了System.exit()方法

– 程序正常执行结束

– 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

– 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

 

Java 中创建一个对象的过程

 

 

 

 Java中对象的创建就是在堆上分配内存空间的过程，此处说的对象创建仅限于new关键字创建的普通Java对象，不包括数组对象的创建。

 

new关键字创建对象的过程。过程如下

 

1.检测类是否被加载：

 

　　当虚拟机执行到new时，会先去常量池中查找这个类的符号引用。如果能找到符号引用，说明此类已经被加载到方法区（方法区存储虚拟机已经加载的类的信息），可以继续执行；如果找不到符号引用，就会使用类加载器执行类的加载过程，类加载完成后继续执行。

 

2.为对象分配内存：

 

　　类加载完成以后，虚拟机就开始为对象分配内存，此时所需内存的大小就已经确定了。只需要在堆上分配所需要的内存即可。

简述JVM给对象分配内存的策略   选择哪种分配方式由 Java 堆是否规整决定，而 Java 堆是否规整又由所采用的垃圾收集器是否带有压缩整理功能决定

 

 

内存分配并发问题  

在创建对象的时候有一个很重要的问题，就是线程安全，因为在实际开发过程中，创建对象是很频繁的事情，作为虚拟机来说，必须要保证线程是安全的，通常来讲，虚拟机采用两种方式来保证线程安全：

• CAS+失败重试： CAS 是乐观锁的一种实现方式。所谓乐观锁就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。虚拟机采用 CAS 配上失败重试的方式保证更新操作的原子性。
• TLAB： 为每一个线程预先在 Eden 区分配一块儿内存，JVM 在给线程中的对象分配内存时，首先在 TLAB 分配，当对象大于 TLAB 中的剩余内存或 TLAB 的内存已用尽时，再采用上述的 CAS 进行内存分配

3.为分配的内存空间初始化零值：

 

　　对象的内存分配完成后，还需要将对象的内存空间都初始化为零值（不包括对象头），这样能保证对象即使没有赋初值，也可以直接使用       

 

4.设置对象头：

 

　　分配完内存空间，初始化零值之后，虚拟机还需要对对象进行其他必要的设置，设置的地方都在对象头中，包括这个对象所属的类，类的元数据信息，对象的hashcode，GC分代年龄等信息。

 

5.执行 init 方法：

 

　　执行完上面的步骤之后，在虚拟机里这个对象就算创建成功了，但是对于Java程序来说还需要执行init方法才算真正的创建完成，因为这个时候对象只是被初始化零值了，还没有真正的去根据程序中的代码分配初始值，调用了init方法之后，这个对象才真正能使用。

 

简述对象的内存布局

 

对象在堆内存的存储布局可分为对象头、实例数据和对齐填充。

对象头主要包含两部分数据： MarkWord、类型指针。数组长度（只有数组对象有)

MarkWord用于存储对象自身的运行时数据， 如哈希码（HashCode）、GC分代年龄、锁信息等等。

类型指针指向对象的类元数据，虚拟机通过这个指针确定该对象是哪个类的实例

 

实例数据存储代码中所定义的各种类型的字段信息。

对齐填充起占位作用。因为JVM要求Java的对象占的内存大小应该是8bit的倍数，因此需要对齐填充

 

对象的访问定位

建立对象就是为了使用对象，我们的 Java 程序通过栈上的 reference 数据来操作堆上的具体对象。对象的访问方式由虚拟机实现而定，目前主流的访问方式有① 使用句柄和② 直接指针两种

1 句柄： 如果使用句柄的话，那么 Java 堆中将会划分出一块内存来作为句柄池，reference 中存储的就是对象的句柄地址，而句柄中包含了对象实例数据与类型数据各自的具体地址信息

 

 2 直接指针： 如果使用直接指针访问，那么 Java 堆对象的布局中就必须考虑如何放置访问类型数据的相关信息，而 reference 中存储的直接就是对象的地址。

 

 

这两种对象访问方式各有优势。使用句柄来访问的最大好处是 reference 中存储的是稳定的句柄地址，在对象被移动时只会改变句柄中的实例数据指针，而 reference 本身不需要修改。

使用直接指针访问方式最大的好处就是速度快，它节省了一次指针定位的时间开销。

双亲委派模型

双亲委派模型是描述类加载器之间的层次关系。它要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类 加载器都应当有自己的父类加载器。（父子关系一般不会以继承的关系实现，而是以组合关系 来复用父加载器的代码）

工作过程

如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求 委派给父类加载器去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求最终都应该 传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（找不到所需 的类）时，子加载器才会尝试自己去加载。

在 java.lang.ClassLoader 中的 loadClass() 方法中实现该过程。

本质

规定了类加载器的顺序是：引导类加载器先加载，若加载不到，由扩展类加载器加载，若还加载不到，才会由系统类加载器或自定义的类加载器进行加载。

 

 引导类 又叫 启动类加载器

 系统类 又叫 应用程序类加载器

代码支持

 

 

 

 

为什么使用双亲委派模型

像 java.lang.Object 这些存放在 rt.jar 中的类，无论使用哪个类加载器加载，最终都会委派给最 顶端的启动类加载器加载，从而使得不同加载器加载的 Object 类都是同一个。 相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一 个称为 java.lang.Object 的类，并放在 classpath 下，那么系统将会出现多个不同的 Object 类， Java 类型体系中最基础的行为也就无法保证。

双亲委派机制的优点

                        避免类的重复加载，确保一个类的全局唯一性

1. • Java类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种关系可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。
   • 保护程序安全，防止核心API被随意篡改 如

     借用一个例子：黑客自定义一个java.lang.String类，该String类具有系统的String类一样的功能，只是在某个函数稍作修改。比如equals函数，这个函数经常使用，如果在这这个函数中，黑客加入一些“病毒代码”。并且通过自定义类加载器加入到JVM中。此时，如果没有双亲委派模型，那么JVM就可能误以为黑客自定义的java.lang.String类是系统的String类，导致“病毒代码”被执行。

     而有了双亲委派模型，黑客自定义的java.lang.String类永远都不会被加载进内存。因为首先是最顶端的类加载器加载系统的java.lang.String类，最终自定义的类加载器无法加载java.lang.String类。
     
     

   
   双亲委派机制的缺点 ：上层无法访问下层

 

 

如何破坏双亲委派机制

1 重载loadClass()方法，即自定义类加载器。

如何构建自定义类加载器

1. 新建自定义类继承自java.lang.ClassLoader
2. 重写findClass、loadClass、defineClass方法

 
2  线程上下文类加载器 （默认属于应用程序类加载器）

    服务提供接口

 

 3  OSGI

 

 

class Object 谁先加载

 

而第2个假设是对的：java.lang.Class是java.lang.Object的派生类，前者继承自后者。虽然第1个假设不对，但“鸡蛋问题”仍然存在：在一个已经启动完毕、可以使用的Java对象系统里，必须要有一个java.lang.Class实例对应java.lang.Object这个类；而java.lang.Class是java.lang.Object的派生类，按“一般思维”前者应该要在后者完成初始化之后才可以初始化…

事实是：这些相互依赖的核心类型完全可以在“混沌”中一口气都初始化好，然后对象系统的状态才叫做完成了“bootstrap”，后面就可以按照Java对象系统的一般规则去运行。JVM、JavaScript、Python、Ruby等的运行时都有这样的bootstrap过程。

在“混沌”（boostrap过程）里，JVM可以为对象系统中最重要的一些核心类型先分配好内存空间，让它们进入[已分配空间]但[尚未完全初始化]状态。此时这些对象虽然已经分配了空间，但因为状态还不完整所以尚不可使用。

然后，通过这些分配好的空间把这些核心类型之间的引用关系串好。到此为止所有动作都由JVM完成，尚未执行任何Java字节码。然后这些核心类型就进入了[完全初始化]状态，对象系统就可以开始自我运行下去，也就是可以开始执行Java字节码来进一步完成Java系统的初始化了。