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【JVM】java的jvm类加载器和类加载子系统

news 来源：原创 2024/5/19 19:29:59

JVM类加载器和类加载子系统

一、JVM体系结构
二、ClassLoader类介绍
三、类加载子系统
- 3.1 加载阶段
- - 3.1.1 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）
  - 3.1.2 扩展类加载器（Extension ClassLoader）
  - 3.1.3 应用程序类加载器（Application ClassLoader）
  - 3.1.4 用户自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）
  - 3.1.5 如何自定义类加载器？
- 3.2 链接阶段
- - 3.2.1 验证（Verify）
  - 3.2.2 准备（Prepare）
  - 3.2.3 解析（Resolve）
- 3.3 初始化阶段

一、JVM体系结构

在这里插入图片描述我们先在这里放一张 JVM 的体系架构图，方便我们有个总体认知。

二、ClassLoader类介绍

在这里插入图片描述获取 ClassLoader 的方式：

三、类加载子系统

从 JVM 体系架构图中，我们可以知道在类文件之后就是类加载子系统，这个类加载子系统包含加载阶段、链接阶段和初始化阶段三个阶段。

类加载器(ClassLoader)：负责加载 class文件(class文件在文件开头有特定的文件标识)，将class文件字节码内容加载到内存中，并将这些内容转换成方法区中的运行时数据结构；ClassLoader只负责加载class文件的加载，至于它是否可以运行，则由**Execution Engine（执行引擎）**决定。

3.1 加载阶段

类加载器分类：引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）、应用类加载器（Application ClassLoader）。

3.1.1 引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

此加载器又被称为启动类加载器或者根类加载器，都是指这同一个Bootstrap ClassLoader。

这个类加载器使用的是 C++ 语言实现的，嵌套在JVM内部；
它用来加载Java核心库（%JAVA_HOME%/jre/lib/目录下，resources.jar或者sun.boot.class.path路径下的内容）用于提供JVM自身需要的类；
它并没有继承自 java.lang.ClassLoader，它没有父加载器；
它是扩展类加载器和应用类加载器的父类加载器；
出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun等开关的类；

3.1.2 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的安装目录的**/jre/lib/ext/**子目录（扩展目录）下加载的类库。如果用户创建的jar放在此目录下，也会自动的由扩展类加载器加载；
/jre/lib/ext/目录下所有的类的加载器都是Extension ClassLoader；
开发者可以直接使用扩展类加载器；

3.1.3 应用程序类加载器（Application ClassLoader）

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的；
通过 classLoader.getSystemClassLoader() 方法可以获取到该类加载器；

3.1.4 用户自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）

在Java的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述3种类加载器相互配合执行折，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式。那为什么还需要自定义类加载器呢？

隔离加载类（比如现在的Spring框架和RocketMQ有包名路径完全一样的类，类名也一样，这个时候类就冲突了。所以允许用户自定义类的加载器。不过现在一般的主流框架和中间件都会自定义类加载器，实现不同的类加载，中间件之间是隔离的）；
扩展加载源（还可以考虑从数据库中加载类，路由器等不同的地方）；
防止源码泄漏（对字节码文件进行解密，自己用的时候通过自定义类加载器对其进行解密）；

3.1.5 如何自定义类加载器？

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；
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；
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承 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。


    public static void main(String[] args) {
        Car car1 = new Car();
        Car car2 = new Car();
        Car car3 = new Car();
        System.out.println("car1.getClass() = " + car1.getClass());
        System.out.println("car2.getClass() = " + car2.getClass());
        System.out.println("car3.getClass() = " + car3.getClass());
        System.out.println("-------------------------------------------");

        ClassLoader classLoader1 = car1.getClass().getClassLoader();
        ClassLoader classLoader2 = car2.getClass().getClassLoader();
        ClassLoader classLoader3 = car3.getClass().getClassLoader();
        System.out.println("classLoader1 = " + classLoader1); // application classloader
        System.out.println("classLoader2 = " + classLoader2); // application classloader
        System.out.println("classLoader3 = " + classLoader3); // application classloader
        System.out.println("-------------------------------------------");

        // Application ClassLoader --> Extension ClassLoader --> Boot strap ClassLoader
        // bootstrap --> extension --> application
        System.out.println("classLoader1.getParent() = " + classLoader1.getParent()); // extension classloader
        System.out.println("classLoader1.getParent().getParent() = " + classLoader1.getParent().getParent()); // bootstrap classloader
    }
}

输出的结果：
在这里插入图片描述

3.2 链接阶段

链接阶段包含以下三个步骤：验证（Verify）、准备（Prepare）、解析（Resolve）。

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的要求，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、元数据验证、字节码验证和符号引用验证；

3.2.2 准备（Prepare）

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；

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；

3.3 初始化阶段

初始化阶段就是执行类构造器方法，() 的过程；
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 () 已执行完毕；
虚拟机必须保证一个类的 () 方法在多线程下被同步加锁。

完结！