Java虚拟机(二)：类加载子系统

类加载器子系统

一、JVM架构图

二、 类加载子系统运行流程

加载

1.通过一个类的全限定类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换为方法区运行时数据结构

3.在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区中这个类的各种数据的访问入口

链接：验证、准备和解析

验证：

 1. 确保Class字节的字节流中包含的信息符合JVM的要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全
 2. 验证四种格式：文件格式验证、源数据验证、字节码验证和符号引用验证

准备：

1. 为类变量(含有static修饰的变量)分配内存并且设置该类变量的初始默认值，即零值(各自类型零值均不相同)、

   1. 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
   2. 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，实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中

解析：

1. 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

   1. 解析就是将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
   2. 符号引用：就是一组符号来表述所引用的目标，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
   3. 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
   4. 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

初始化：就是执行类构造器方法的clint()过程

1.clinit()："class or interface initialization method"，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

2.从下图对比中，我们即可看出clinit()是对只有包含static修饰的变量或代码块的类初始化时才会调用

3.clinit()中指令按语句在源文件中出现的顺序执行

public class ClinitTest {

    static {
        number = 5; // 可以赋值，因为static变量在类加载系统的准备阶段已经完成初始值的赋值
        System.out.println(number); // 但不可以调用(非法向前引用)
    }

    private static int number = 0; // 0 --> 5 --> 0

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

4.虚拟机必须保证一个类的clinit()方法在多线程下被同步加锁即一个类只需被clinit()一次，之后该类的内部信息就被存储在方法区

public class ClinitTest {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            DemoThread thread = new DemoThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }, "线程1").start();

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            DemoThread thread = new DemoThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        }, "线程2").start();
    }

}

class DemoThread{
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
            while (true) {

            }
        }
    }
}

线程1开始
线程2开始
线程1初始化当前类 // 线程1进入后，线程2无法重复初始化

类加载子系统的作用

1.类加载子系统负责从磁盘或网络中加载class文件，class文件在文件开头需要有特定的十六进制标识：CA FE BA BE

2.加载后的Class类信息存放于一块成为方法区的内存空间。除了类信息之外，方法区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

3.ClassLoader只负责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

4.如果调用构造器实例化对象，则其实例存放在堆区

三、类加载器分类

1.JVM支持两种类型加载器：基于C/C++实现的引导类加载器(BootStrap ClassLoader)和基于Java实现的自定义加载器

2.从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是Java虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类ClassLoader的类加载器都划分为自定义类加载器

上图非继承关系，可以近似理解为包含关系

3.在程序中我们最常见的类加载器是：引导类加载器(BootStrap ClassLoader)、自定义类加载器：扩展类加载器(Extension ClassLoader)、系统(应用)类加载器(System(App) ClassLoader)和用户自定义类加载器(User-Defined ClassLoader))

加载器具体介绍

引导类加载器(BootStrap ClassLoader)

1.这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部

2.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

3.并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父加载器

4.加载拓展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父加载器，即ClassLoader

5.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

拓展类加载器(Extension ClassLoader)

1.java语言编写 ，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。

2.派生于ClassLoader类

3.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，也会由拓展类加载器自动加载

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

1.java语言编写， 由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。

2.派生于ClassLoader类

3.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

4.该类加载器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

5.通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

4.获取类的加载器

/**
 * ClassLoader加载
 */
public class ClassLoaderTest {
    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

        //获取其上层  扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@610455d6

        //获取其上层 获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootStrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootStrapClassLoader);//null

        //对于用户自定义类来说：使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.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核心类库都是使用引导类加载器加载的
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null获取不到间接证明了String 类使用引导类加载器进行加载的

    }
}

四、双亲委派机制

Java虚拟机对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的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

双亲委派机制原理

双亲委派机制优势

1.避免类的重复加载

2.保护程序安全，防止核心API被随意修改

我们定义包名的时候起名java.lang类名为String，这时如果没有双亲委派机制，我们就会将String这种数据类型变成我们自己写的类型

3.保证核心API包的访问权限

五、JVM中表示两个Class对象是否为同一个对象

1.在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在的两个必要条件

​ ①.类的完整类名必须一致，包括包名

​ ②.即使类的完整类名一致，同时要求加载这个类的ClassLoader(指ClassLoader实例对象)必须相同：是引导类加载器、还是定义类加载器

2.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.

3.对类加载器的引用，JVM必须知道一个类型是有启动类加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型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需要保证两个类型的加载器是相同的

六、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，即是否调用了clinit()方法

下面时类的主动使用，其它使用都被看做类的被动使用，不会产生类的初始化

1.创建类的实例

2.访问某各类或接口的静态变量，或者对静态变量赋值

3.调用类的静态方法

4.反射：比如Class.forName(com.dsh.jvm.xxx)

5.初始化一个类的子类

6.Java虚拟机启动时被标明为启动类的类

7.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