深入JVM：类加载器和双亲委派模型

1. 什么是类加载器

如果想要了解什么是类加载器就需要清楚一个Java文件是如何运行的。我们可以看下图：

首先要知道操作系统是不能直接运行Java文件的，所以就需要通过JVM将Java文件转换为操作系统可以运行的文件类型，步骤如下：

• 类加载器把Java代码转换为字节码文件
• 运行时数据区将字节码文件加载到内存中，而字节码文件只是JVM的一套指令集规范，并不能直接交给底层操作系统来执行，而是需要有执行能力的执行引擎来运行
• 执行引擎将字节码翻译为底层系统指令，再交给CPU来执行，而这个时候需要调用其它语言的本地库接口来实现整个程序的功能

JVM只会运行二进制文件，而类加载器（ClassLoader）的主要作用就是将字节码文件加载到JVM 中 ，从而让Java程序能够启动起来。现有的类加载器基本上都是 java.lang.ClassLoader的子类，该类的只要职责就是用于将指定的类找到或生成对应的字节码文件，同时类加载器还会负责加载程序所需要的资源

2. 类加载器的类型

类加载器根据各自的加载范围不同，进行了划分主要是四种：

• 启动类加载器：这个类并不继承ClassLoader类，其中是由C++编写实现。用于加载JAVA_Home/jre/lib目录下的类库
• 扩展类加载器：该列是ClassLoader的子类，主要是加载JAVA_HOME/jre/lib/ext目录中的类库
• 应用类加载器：该类时ClassLoader的子类，主要是用于加载classPath下的类，也就是加载开发者自己编写的Java类
• 自定义类加载器：开发者自定义类继承ClassLoader，实现自定义类加载规则

上述三种类加载器的层次结构如下如下：

而类加载器的体系不是继承关系的，而是委派体系，类加载器首先会到自己的父亲中查找类和资源，如果找不到才回到自己的本地进行查找。类加载器的委托行为动机是为了避免相同的类被多次加载

3. 双亲委派模型

如果一个类加载器在接到加载类的请求时，它首先不会自己尝试去加载这个类， 而是把这个请求任务委托给父类加载器去完成，依次递归，如果父类加载器可以 完成类加载任务，就返回成功；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才由下一级去加载

那么为什么会需要使用双亲委派模型呢？

• 通过双亲委派机制可以避免某一个类被重复加载，当父类已经加载后则无需重复加载，保证唯一性
• 为了安全，保证类库API不会被修改

这里解释一下如何保证类库的API不会被修改：当我们创建一个类String的时候，由于在Java中本身就存在String类，所以使用双亲委派模型的时候，在启动类加载器就会加载Java中的String类，而不会使用应用类加载器进行加载。

public class String {public static void main(String[] args) {System.out.println("demo info")}
}

此时执行main函数，会出现异常，在类 java.lang.String 中找不到 main 方法

出现该信息是因为由双亲委派的机制，java.lang.String的在启动类加载器 (Bootstrap classLoader)得到加载，因为在核心jre库中有其相同名字的类文件， 但该类中并没有main方法。这样就能防止恶意篡改核心API库

4. 类装载的过程

类从加载到JVM中开始，它的整个生命周期包括了：加载、验证、准备、解析、初始化、使用和卸载七个阶段。其中，验证、准备和解析这三个部分统称为连接

加载

加载时主要的作用是以下三点：

• 通过类的全名，获取类的二进制数据流
• 解析类的二进制数据流为方法区内的数据结构（Java类模型）
• 创建java.lang.Class类的实例，表示该类型。作为方法区这个类的各种数据的访问入口

上面说的可能优点难以理解，以这个图片来讲解一下它的作用。就比如当前有一个Person进行类的加载，那么他主要是分为两个部分，第一部分将Person中定义的字段以及方法存储到元空间中，第二部分时将实例化的对象存储到堆中，而堆当中的实例化对象的对象头会指向当前的class对象，然后class对象指向元空间的数据结构

验证

验证类是否符合 JVM 规范，安全性检查

• 文件格式验证:是否符合Class文件的规范
• 元数据验证
  • 这个类是否有父类（除了Object这个类之外，其余的类都应该有父类）
  • 这个类是否继承（extends）了被final修饰过的类（被final修饰过的类表示类不能被继承）
  • 类中的字段、方法是否与父类产生矛盾。（被final修饰过的方法或字段是不能覆盖的）
• 字节码验证
  • 主要的目的是通过对数据流和控制流的分析，确定程序语义是合法的、符合逻 辑的
• 符号引用验证：符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量

准备

为类变量分配内存并设置类变量初始值

• static变量，分配空间在准备阶段完成（设置默认值），赋值在初始化阶段完成
• static变量是final的基本类型，以及字符串常量，值已确定，赋值在准备阶段完成
• static变量是final的引用类型，那么赋值也会在初始化阶段完成

public class Application {static int b = 10;static final int c= 20,static final String d = "hello";static final Object obj= new Object();
}

解析

把类中的符号引用转换为直接引用

比如：方法中调用了其他方法，方法名可以理解为符号引用，而直接引用就是使用指针直接指向方法

初始化

对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作

• 如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类
• 如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行

使用

JVM 开始从入口方法开始执行用户的程序代码

• 调用静态类成员信息（比如：静态字段、静态方法）
• 使用new关键字为其创建对象实例

卸载

当用户程序代码执行完毕后，JVM 便开始销毁创建的 Class 对象，最后负责运行的 JVM 也退出内存