2 章類加載器詳解

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一、內存結構概述

若是本身想手寫一個Java虛擬機的話，主要考慮哪些結構呢？數據庫

類加載器
執行引擎

完整框圖：bootstrap

二、類加載子系統

類加載器子系統做用安全

類加載器子系統負責從文件系統或者網絡中加載Class文件，class文件在文件開頭有特定的文件標識。
ClassLoader只負責class文件的加載，至於它是否能夠運行，則由Execution Engine決定。
加載的類信息存放於一塊稱爲方法區的內存空間。除了類的信息外，方法區中還會存放運行時常量池信息，可能還包括字符串字面量和數字常量（這部分常量信息是Class文件中常量池部分的內存映射）

class --> Java.lang.Class微信

class file存在於本地硬盤上，能夠理解爲設計師畫在紙上的模板，而最終這個模板在執行的時候是要加載到JVM當中來根據這個文件實例化出n個如出一轍的實例。
class file加載到JVM中，被稱爲DNA元數據模板，放在方法區。
在.class文件–>JVM–>最終成爲元數據模板，此過程就要一個運輸工具（類裝載器Class Loader），扮演一個快遞員的角色。

三、類加載過程

3.一、類加載過程概述

看代碼

public class HelloLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("謝謝ClassLoader加載我....");
        System.out.println("你的大恩大德，我下輩子再報！");
    }
}

它的加載過程是怎麼樣的呢?網絡
- 執行 main() 方法（靜態方法）就須要先加載承載類 HelloLoader
- 加載成功，則進行連接、初始化等操做，完成後調用 HelloLoader 類中的靜態方法 main
- 加載失敗則拋出異常

完整的流程圖以下所示： *加載 --> 連接（驗證 --> 準備 --> 解析） --> 初始化

3.二、加載階段

加載流程數據結構

經過一個類的全限定名獲取定義此類的二進制字節流
將這個字節流所表明的靜態存儲結構轉化爲 方法區的運行時數據結構
在內存中生成一個表明這個類的java.lang.Class對象，做爲方法區這個類的各類數據的訪問入口

加載class文件的方式多線程

從本地系統中直接加載
經過網絡獲取，典型場景：Web Applet
從zip壓縮包中讀取，成爲往後jar、war格式的基礎
運行時計算生成，使用最多的是：動態代理技術
由其餘文件生成，典型場景：JSP應用從專有數據庫中提取.class文件，比較少見
從加密文件中獲取，典型的防Class文件被反編譯的保護措施

3.三、連接階段

*連接分爲三個子階段：驗證 --> 準備 --> 解析

3.3.一、驗證(Verify)

驗證ide

目的在於確保Class文件的字節流中包含信息符合當前虛擬機要求，保證被加載類的正確性，不會危害虛擬機自身安全
主要包括四種驗證，文件格式驗證，元數據驗證，字節碼驗證，符號引用驗證。

舉例工具

使用 BinaryViewer 查看字節碼文件，其開頭均爲 CAFE BABE ，若是出現不合法的字節碼文件，那麼將會驗證不經過

3.3.二、準備(Prepare)

準備

爲類變量分配內存而且設置該類變量的默認初始值，即零值
這裏不包含用final修飾的static，由於final在編譯的時候就會分配好了默認值，準備階段會顯式初始化
注意：這裏不會爲實例變量分配初始化，類變量會分配在方法區中，而實例變量是會隨着對象一塊兒分配到Java堆中

舉例

代碼：變量a在準備階段會賦初始值，但不是1，而是0，在初始化階段會被賦值爲 1

public class HelloApp {
    private static int a = 1;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

3.3.三、解析(Resolve)

解析

將常量池內的符號引用轉換爲直接引用的過程
事實上，解析操做每每會伴隨着JVM在執行完初始化以後再執行
符號引用就是一組符號來描述所引用的目標。符號引用的字面量形式明肯定義在《java虛擬機規範》的class文件格式中。直接引用就是直接指向目標的指針、相對偏移量或一個間接定位到目標的句柄
解析動做主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型等。對應常量池中的CONSTANT Class info、CONSTANT Fieldref info、CONSTANT Methodref info等

符號引用

反編譯 class 文件後能夠查看符號引用

3.四、初始化階段

初始化階段

初始化階段就是執行類構造器方法 <clinit>()</clinit> 的過程
此方法不需定義，是javac編譯器自動收集類中的全部類變量的賦值動做和靜態代碼塊中的語句合併而來。也就是說， 當咱們代碼中包含static變量的時候，就會有clinit方法
** <clinit>()</clinit> 方法中的指令按語句在源文件中出現的順序執行**
<clinit>()</clinit>不一樣於類的構造器。（關聯：構造器是虛擬機視角下的 <init>()</init>）
若該類具備父類，JVM會保證子類的 <clinit>()</clinit> 執行前，父類的 <clinit>()</clinit> 已經執行完畢
虛擬機必須保證一個類的 <clinit>()</clinit> 方法在多線程下被同步加鎖

IDEA 中安裝 JClassLib 插件

在 IDEA 中安裝 JClassLib 插件後，重啓 IDEA 生效

選中對應的 Java 類文件，注意：不是字節碼文件~！
點擊【View --> Show Bytecode With jclasslib】便可查看反編譯後的代碼

當咱們代碼中包含static變量的時候，就會有clinit方法

示例 1：無 static 變量

代碼

public class ClinitTest {
    private int a = 1;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }
}

並無生成 clinit 方法

示例 2：有 static 變量

代碼

public class ClinitTest {

    private int a = 1;
    private static int c = 3;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

}

在 clinit 方法中初始化靜態變量的值爲 3

構造器方法中指令按語句在源文件中出現的順序執行

示例 1

代碼：

public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;
    private static int number = 10;

    static {
        num = 2;
        number = 20;
        System.out.println(num);

    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);
        System.out.println(ClassInitTest.number);
    }
}

靜態變量 number 的值變化過程以下
- 準備階段時：0
- 執行靜態變量初始化：10
- 執行靜態代碼塊：20

示例 1

代碼

public class ClassInitTest {
   private static int num = 1;

   static{
       num = 2;
       number = 20;
       System.out.println(num);

   }

   private static int number = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);
        System.out.println(ClassInitTest.number);
    }
}

靜態變量 number 的值變化過程以下
- 準備階段時：0
- 執行靜態代碼塊：20
- 執行靜態變量初始化：10

構造器是虛擬機視角下的 <init>()</init>

代碼

public class ClinitTest {

    private int a = 1;
    private static int c = 3;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

    public ClinitTest(){
        a = 10;
        int d = 20;
    }

}

在構造器中：
- 先將類變量 a 賦值爲 10
- 再將局部變量賦值爲 20

若該類具備父類，JVM會保證子類的 <clinit>()</clinit> 執行前，父類的 <clinit>()</clinit> 已經執行完畢

代碼

public class ClinitTest1 {
    static class Father{
        public static int A = 1;
        static{
            A = 2;
        }
    }

    static class Son extends Father{
        public static int B = A;
    }

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(Son.B);
    }
}

如上代碼，加載流程以下：
- 首先，執行 main() 方法須要加載 ClinitTest1 類
- 獲取 Son.B 靜態變量，須要加載 Son 類
- Son 類的父類是 Father 類，因此須要先執行 Father 類的加載，再執行 Son 類的加載

虛擬機必須保證一個類的 <clinit>()</clinit> 方法在多線程下被同步加鎖

代碼

public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "開始");
            DeadThread dead = new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "結束");
        };

        Thread t1 = new Thread(r, "線程1");
        Thread t2 = new Thread(r, "線程2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class DeadThread {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化當前類");
            while (true) {

            }
        }
    }
}

程序卡死，分析緣由：
- 兩個線程同時去加載 DeadThread 類，而 DeadThread 類中靜態代碼塊中有一處死循環
- 先加載 DeadThread 類的線程搶到了同步鎖，而後在類的靜態代碼塊中執行死循環，而另外一個線程在等待同步鎖的釋放
- 因此不管哪一個線程先執行 DeadThread 類的加載，另一個類也不會繼續執行

四、類加載器的分類

4.一、類加載器概述

類加載器的分類

JVM支持兩種類型的類加載器。分別爲引導類加載器（Bootstrap ClassLoader）和自定義類加載器（User-Defined ClassLoader）
從概念上來說，自定義類加載器通常指的是程序中由開發人員自定義的一類類加載器，可是Java虛擬機規範卻沒有這麼定義，而是 將全部派生於抽象類ClassLoader的類加載器都劃分爲自定義類加載器
不管類加載器的類型如何劃分，在程序中咱們最多見的類加載器始終只有3個，以下所示
這裏的四者之間是包含關係，不是上層和下層，也不是子父類的繼承關係。

爲何 ExtClassLoader 和 AppClassLoader 都屬於自定義加載器

規範定義：全部派生於抽象類ClassLoader的類加載器都劃分爲自定義類加載器
ExtClassLoader 繼承樹

AppClassLoader 繼承樹

代碼：
- 咱們嘗試獲取引導類加載器，獲取到的值爲 null ，這並不表明引導類加載器不存在， 由於引導類加載器右 C/C++ 語言，咱們獲取不到
- 兩次獲取系統類加載器的值都相同：sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2 ，這說明 *系統類加載器是全局惟一的

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {

        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);

        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);

        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);

        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);

    }
}

4.二、虛擬機自帶的加載器

4.2.一、啓動類加載器

啓動類加載器（引導類加載器，Bootstrap ClassLoader）

這個類加載使用C/C++語言實現的，嵌套在JVM內部
它用來加載Java的核心庫（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar或sun.boot.class.path路徑下的內容），用於提供JVM自身須要的類
並不繼承自java.lang.ClassLoader，沒有父加載器
加載擴展類和應用程序類加載器，並做爲他們的父類加載器（當他倆的爹）
出於安全考慮，Bootstrap啓動類加載器只加載包名爲java、javax、sun等開頭的類

4.2.二、擴展類加載器

擴展類加載器（Extension ClassLoader）

Java語言編寫，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實現
派生於ClassLoader類
父類加載器爲啓動類加載器
從java.ext.dirs系統屬性所指定的目錄中加載類庫，或從JDK的安裝目錄的jre/lib/ext子目錄（擴展目錄）下加載類庫。若是用戶建立的JAR放在此目錄下，也會自動由擴展類加載器加載

4.2.三、系統類加載器

應用程序類加載器（系統類加載器，AppClassLoader）

Java語言編寫，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader實現
派生於ClassLoader類
父類加載器爲擴展類加載器
它負責加載環境變量classpath或系統屬性java.class.path指定路徑下的類庫
該類加載是程序中默認的類加載器，通常來講，Java應用的類都是由它來完成加載
經過classLoader.getSystemclassLoader()方法能夠獲取到該類加載器

代碼舉例說明

代碼

public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("**********啓動類加載器**************");

        URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element : urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }

        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);

        System.out.println("***********擴展類加載器*************");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }

        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);

    }
}

System.out.println(classLoader); 輸出 null ，再次證實咱們沒法獲取到啓動類加載器

**********&#x542F;&#x52A8;&#x7C7B;&#x52A0;&#x8F7D;&#x5668;**************
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/classes
null
***********&#x6269;&#x5C55;&#x7C7B;&#x52A0;&#x8F7D;&#x5668;*************
C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_144\jre\lib\ext
C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7ea987ac

4.三、用戶自定義類加載器

爲何須要自定義類加載器？

在Java的平常應用程序開發中，類的加載幾乎是由上述3種類加載器相互配合執行的，在必要時，咱們還能夠自定義類加載器，來定製類的加載方式。那爲何還須要自定義類加載器？

隔離加載類
修改類加載的方式
擴展加載源
防止源碼泄漏

如何自定義類加載器？

開發人員能夠經過繼承抽象類java.lang.ClassLoader類的方式，實現本身的類加載器，以知足一些特殊的需求
在JDK1.2以前，在自定義類加載器時，總會去繼承ClassLoader類並重寫loadClass()方法，從而實現自定義的類加載類，可是在JDK1.2以後已再也不建議用戶去覆蓋loadClass()方法，而是建議把自定義的類加載邏輯寫在findclass()方法中
在編寫自定義類加載器時，若是沒有太過於複雜的需求，能夠直接繼承URIClassLoader類，這樣就能夠避免本身去編寫findclass()方法及其獲取字節碼流的方式，使自定義類加載器編寫更加簡潔。

代碼示例

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {

        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4.四、關於 ClassLoader

ClassLoader 類介紹

ClassLoader類，它是一個抽象類，其後全部的類加載器都繼承自ClassLoader（不包括啓動類加載器）

sun.misc.Launcher 它是一個java虛擬機的入口應用

獲取 ClassLoader 途徑

獲取途徑：

代碼示例：

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {

            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);

            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader();
            System.out.println(classLoader2);

        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

五、雙親委派機制

5.一、雙親委派機制原理

雙親委派機制的原理

Java虛擬機對class文件採用的是按需加載的方式，也就是說當須要使用該類時纔會將它的class文件加載到內存生成class對象。並且 加載某個類的class文件時，Java虛擬機採用的是雙親委派模式，即把請求交由父類處理，它是一種任務委派模式

若是一個類加載器收到了類加載請求，它並不會本身先去加載，而是把這個請求委託給父類的加載器去執行；
若是父類加載器還存在其父類加載器，則進一步向上委託，依次遞歸，請求最終將到達頂層的啓動類加載器；
若是父類加載器能夠完成類加載任務，就成功返回，假若父類加載器沒法完成此加載任務，子加載器纔會嘗試本身去加載，這就是雙親委派模式。
父類加載器一層一層往下分配任務，若是子類加載器能加載，則加載此類，若是將加載任務分配至系統類加載器也沒法加載此類，則拋出異常

5.二、雙親委派機制代碼示例

代碼示例

舉例 1 ：

代碼：咱們本身創建一個 java.lang.String 類，寫上 static 代碼塊

package java.lang;

public class String {
    static{
        System.out.println("我是自定義的String類的靜態代碼塊");
    }
}

在另外的程序中加載 String 類，看看加載的 String 類是 JDK 自帶的 String 類，仍是咱們本身編寫的 String 類

public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        java.lang.String str = new java.lang.String();
        System.out.println("hello,atguigu.com");

        StringTest test = new StringTest();
        System.out.println(test.getClass().getClassLoader());
    }
}

程序並無輸出咱們靜態代碼塊中的內容，可見仍然加載的是 JDK 自帶的 String 類

舉例 2 ：

代碼：在咱們本身的 String 類中整個 main() 方法

package java.lang;

public class String {
    static{
        System.out.println("我是自定義的String類的靜態代碼塊");
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello,String");
    }
}

因爲雙親委派機制找到的是 JDK 自帶的 String 類，在那個 String 類中並無 main() 方法

舉例 3 ：

代碼：在 java.lang 包下整個 ShkStart 類

package java.lang;

public class ShkStart {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello!");
    }
}

出於保護機制，java.lang 包下不容許咱們自定義類

舉例 4 ：

當咱們加載jdbc.jar 用於實現數據庫鏈接的時候

首先咱們須要知道的是 jdbc.jar是基於SPI接口進行實現的
因此在加載的時候，會進行雙親委派，最終從根加載器中加載 SPI核心類，而後再加載SPI接口類
接着在進行反向委託，經過線程上下文類加載器進行實現類 jdbc.jar的加載。

5.三、雙親委派機制優點

雙親委派機制的優點

經過上面的例子，咱們能夠知道，雙親機制能夠

避免類的重複加載
保護程序安全，防止核心API被隨意篡改
自定義類：java.lang.String 沒有屌用
自定義類：java.lang.ShkStart（報錯：阻止建立 java.lang開頭的類）

六、沙箱安全機制

自定義String類時：在加載自定義String類的時候會率先使用引導類加載器加載，而引導類加載器在加載的過程當中會先加載jdk自帶的文件（rt.jar包中java.lang.String.class），報錯信息說沒有main方法，就是由於加載的是rt.jar包中的String類。
這樣能夠保證對java核心源代碼的保護，這就是沙箱安全機制。

七、其餘

如何判斷兩個class對象是否相同？

在JVM中表示兩個class對象是否爲同一個類存在兩個必要條件：

類的完整類名必須一致，包括包名
加載這個類的ClassLoader（指ClassLoader實例對象）必須相同
換句話說，在JVM中，即便這兩個類對象（class對象）來源同一個Class文件，被同一個虛擬機所加載，但只要加載它們的ClassLoader實例對象不一樣，那麼這兩個類對象也是不相等的

對類加載器的引用

JVM必須知道一個類型是由啓動加載器加載的仍是由用戶類加載器加載的
若是一個類型是由用戶類加載器加載的，那麼JVM會將這個類加載器的一個引用做爲類型信息的一部分保存在方法區中
當解析一個類型到另外一個類型的引用的時候，JVM須要保證這兩個類型的類加載器是相同的

類的主動使用和被動使用

Java程序對類的使用方式分爲：主動使用和被動使用。主動使用，又分爲七種狀況：

建立類的實例
訪問某個類或接口的靜態變量，或者對該靜態變量賦值
調用類的靜態方法
反射（好比：Class.forName("com.atguigu.Test")）
初始化一個類的子類
Java虛擬機啓動時被標明爲啓動類的類
JDK7開始提供的動態語言支持：java.lang.invoke.MethodHandle實例的解析結果REF_getStatic、REF putStatic、REF_invokeStatic句柄對應的類沒有初始化，則初始化

除了以上七種狀況，其餘使用Java類的方式都被看做是對類的被動使用，都不會致使類的初始化，即不會執行初始化階段（不會調用 clinit() 方法和 init() 方法）

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第二章 類加載器詳解

2 章 類加載器詳解