内存与垃圾回收篇之（二）类加载器子系统

类加载器子系统

1. 内存结构概述

如果自己手写一个Java虚拟机的话，主要考虑哪些结构呢?
类加载器和执行引擎

2. 类的加载器及类加载过程

2.1 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。
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。
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)

字节码文件中的常量池在运行的时候加载到内存中就被称为运行时常量池

2.2 类加载器

1. 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。
2. class file加载到JVM中,被称为DNA元数据模板 （实际上就是Class对象）,放在方法区。【Class对象的引用放在方法区中，Class对象是放在堆区的】
3. 在.class文件-> JVM ->最终成为元数据模板,此过程就要一一个 运输工具(类装载器Class Loader), 扮演一个快递员的角色。

2.3 类的加载过程

整个类的加载过程是分为三个环节的，分别是加载、链接、初始化。

接下来展开介绍每个环节

2.3.1 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【堆区中存放了具体的Class对象，方法区中存放了该对象的一个引用】

注：

方法区是一个抽象概念，具体的落地实现，JDK 7及以前被称为永久代，JDK 7以后是元空间

Class对象就对应着.class文件

加载到内存中的字节码文件的来源（加载.class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.class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

2.3.2 链接（Linking）

链接分为三个子环节，验证、准备、解析

2.3.2.1 验证(Verify)

●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。
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。

所有能被Java虚拟机所识别的字节码文件的有效起始为CAFEBABE

2.3.2.2 准备(Prepare)

●为类变量（static 标注的变量）分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值（整型 0、浮点型 0.0、字符型 \u0000、布尔型 false、引用类型 null）。

这里不包含用final修饰的static,因为final在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化（.java编译得到的.class）;
这里不会为实例变量分配初始化，类变量会记在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

2.3.2.3 解析(Resolve)

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
事实上，解析操作往往会伴随着JVM在执行完初始化之后再执行。
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。
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

2.3.3 初始化（initialization）

• 初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程。

• 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（显式赋值）和静态代码块中的语句合并而来。

  javac编译器将所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并得到类构造器方法<clinit>()，如果类中没有类变量的赋值动作（一定要是赋值动作，如果是定义了没有赋值也不会有的）和静态代码块，也就不会有这个类构造方法。

  初始化过程中静态代码块中的代码是会执行的，并不仅仅是赋值操作。

public class StackStuTest {

  	//没有赋值动作是不会生成类构造器方法<clinit>()的
    static int i;

    public static void main(String[] args) {
        int j = 2;
        int k = i + j;
    }
}

• 构造器方法<clinit>()中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。

• <clinit>()不同于类的构造器。(关联: 构造器是虚拟机视角下的构造方法<init>())
• 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。（一个类只会被加载一次）

如果多个线程都会加载同一个类，那么在某一个类加载完成之前，其他线程对该类的加载操作都会处于阻塞状态

3. 类的加载器分类

• 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)。

  引导类加载器不是由Java语言编写的，而自定义类加载器是由Java语言编写的

• 从概念上来讲，自定义类加载器一股指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虛拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于（直接或间接继承于）抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器。

• 无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个，如下所示:

Bootstrap ClassLoader、Extension Class Loader、System Class Loader都是虚拟机自带的加载器。

上述几种类加载器之间的关系：

这里的四者（Bootstrap ClassLoader、Extension Class Loader、System Class Loader【也叫App Class Loader】、User-Defined ClassLoader）之间的关系是包含关系【类比多级目录，Bootstrap ClassLoader是最上层的目录 /etc/abc/kkk】。不是上层下层，也不是子父类的继承关系。

public class StackStuTest {
    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

        //通过系统类加载器获取其上层:扩展类加载器
        ClassLoader extensionClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extensionClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c

        //通过扩展类加载器获取其上层:获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extensionClassLoader.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 = StackStuTest.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
    }
}

3.1 Bootstrap ClassLoader

Bootstrap ClassLoader：引导类加载器（又叫启动类加载器）
➢这个类加载器使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部，是JVM的一部分。
➢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

import sun.misc.Launcher;

//获取Bootstrap ClassLoader能够加载的jar和class的路径
URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
for (URL urL : urLs) {
    System.out.println(urL.toExternalForm());
}

➢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（也叫系统类加载器），并指定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

3.2 Extension ClassLoader

Extension ClassLoader：扩展类加载器
➢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。

//获取Extension ClassLoader能够加载的jar和class的路径
String propertys = System.getProperty("java.ext.dirs");
for (String s : propertys.split(";")) {
    System.out.println(s);
}

3.3 System ClassLoader

System ClassLoader(AppClassLoader)：系统类加载器（又叫应用程序类加载器）

➢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（用户自定义类的默认类加载器），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

3.4 User-Defined ClassLoader

User-Defined ClassLoader：用户自定义类加载器

为什么要自定义类加载器?
➢隔离加载类

​ 确保应用中使用的jar包和中间件用到的jar包不冲突

➢修改类加载的方式

​ 实现动态加载除引导类加载器之外的加载器

➢扩展加载源

​ 支持从数据库、机顶盒等载体中加载字节码文件

➢防止源码泄漏

​ 字节码文件的加密与解密

用户自定义类加载器实现步骤:
1.开发人员可以通过继承抽象类java. lang. ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
2.在JDK1.2之前，在自定义类加载器时，总会去继承ClassLoader类并重写loadClass ()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中（重写findClass方法）
3.在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以继承URLClassLoader类，这样就可以避免自己去编写findClass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。

总结：

JDK1.2之前：继承ClassLoader类并重写loadClass ()方法

JDK1.2之后：

1. 继承ClassLoader类并重写findClass()方法，搭配defineClass()方法
2. 继承URLClassLoader类

4. ClassLoader的使用说明

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

ClassLoader的常用方法如下：

以下方法都不是抽象方法

ClassLoader的继承树

sun.misC.Launcher 是一个java虚拟机的入口应用。ExtClassLoader和APPClassLoader都是其内部类

获取ClassLoader的途径：

方式一:获取当前类的ClassLoader
class. getClassLoader()

try {
    //获取当前类的ClassLoader，两种写法
    //ClassLoader classLoader = StackStuTest.class.getClassLoader();
    ClassLoader classLoader = Class.forName("com.atguigu.java.StackStuTest").getClassLoader();
    System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
} catch (Exception e) {
    e.printStackTrace();
}

方式二:获取当前线程上下文的ClassLoader
Thread. currentThread() . getContextClassLoader ()

ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
System.out.println(contextClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

方式三:获取系统的ClassLoader
ClassLoader . getSystemClassLoader ()

ClassLoader classLoader1 = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

方式四:获取调用者的ClassLoader
DriverManager . getCallerClassLoader ()

5. 双亲委派机制

​ Java虛拟机对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。

5.1 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;

【疑问】

​ 怎么知道加载一个类时是哪个类加载器先收到的请求，是不管加载哪个类都是系统类加载器首先收到请求吗？

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，这就是双亲委派模式。【祖孙三代苹果只能一个人吃】

示例1：自定义与Java核心类库全类名完全相同的类体现出的双亲委派机制

示例2：SPI接口的加载过程

​ SPI接口是属于Java核心类库的（rt.jar），但是SPI接口的实现类是属于第三方jdbc.jar包的，所以，SPI接口由引导类加载器加载，实现类由系统类加载器加载

5.2 双亲委派机制的优势

➢避免类的重复加载

​ 【祖孙三代苹果只能一个人吃】

➢保护程序安全，防止核心API被随意篡改

• 自定义类: java. lang .String

  定义了一个与核心类库中类重名的自定义String

• 自定义类: java. lang. ShkStart

  禁止自定义类使用核心类库的包名

  定义了一个核心类库中压根不存在的自定义类

5.3 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。

6. 其他

在JVM中表示两个Class对象【字节码文件已经加载到内存中产生的两个运行时类】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，包括包名。

​ 全类名一致，比如自定义的java.lang.String和核心类库rt.jar中的java.lang.String是符合这一点的。

➢加载这个类的ClassLoader (指ClassLoader实例对象)必须相同。

换句话说，在JVM中，即使这两个类对象(class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。

6.1 对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由启动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。

​ 将字节码文件加载到内存中以后是放在方法区进行保存的，方法区中还保存了加载当前类使用的类加载器，是以类加载器引用的方式进行保存的。启动加载器加载的类是不会保存这个信息的。

6.2 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
➢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，都不会导致类的初始化【这里类的初始化就是指2.3.3 初始化，是类的加载过程中的一个步骤】。

​ 类的主动使用和被动使用的区别是类的初始化是否会执行