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JVM 类加载器子系统

news 来源：原创 2024/5/9 15:55:25

类加载器子系统作用

【1】负责从文件系统或者网络中加载Class文件，class文件在文件开头有文件标识（cafe baby）

【2】类加载器只负责class文件的加载，至于它是否能运行，则由执行引擎决定

【3】 加载的信息存放在一块方法区的内存空间（元空间）

类加载器（ClassLoader）角色

理解class文件：class文件存放在本地硬盘上，相当于设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候要加载到JVM中，来根据这个模块实例化n个对象。

class文件加载到JVM中，被称为DNA元数据模板放在方法区。

在class文件---》JVM----》最终的元数据模板，此过程需要类加载器。

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！");
    }
}

执行 main() 方法（静态方法）就需要先加载main方法所在类 HelloLoader
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
加载失败则抛出异常

加载阶段

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
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
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

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

链接阶段

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。

准备(Prepare)

为类变量（static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好了默认值，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

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

举例：符号引用

初始化阶段

类的初始化时机

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.atfqs.JVMDemo”)）
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
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，即不会执行初始化阶段（不会调用 clinit() 方法和 init() 方法）

clinit()

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
<clinit>()方法中的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<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

public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;
    static {
        num = 2;
        number = 20;
        System.out.println(num);
    //    System.out.println(number); //非法的向前引用
    }
    /**
     * 1、linking之prepare: number = 0 --> initial: 20 --> 10
     * 2、这里因为静态代码块出现在声明变量语句前面，所以之前被准备阶段为0的number变量会
     * 首先被初始化为20，再接着被初始化成10（这也是面试时常考的问题哦）
     *
     */
    private static int number = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("num="+num);//2
        System.out.println("number="+number);//10
    }
}

字节码指令

类加载器的分类

引导类加载器（c++编写） vs 用户自定义加载器

常见的三种加载器

引导类加载器（BootStrap）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自身需要的类无父类加载器

扩展类加载器（Extension）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派生于ClassLoader类

系统类加载器（Application）一般加载我们写类派生于ClassLoader类

用户自定义的加载器（狭义）

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的，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？

隔离加载类（比如假设现在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。不过一般的主流框架和中间件都会自定义类加载器，实现不同的框架，中间价之间是隔离的）
修改类加载的方式
扩展加载源（还可以考虑从数据库中加载类，路由器等等不同的地方）
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来对其进行解密）

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URIClassLoader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。