2. 类加载子系统

2.1. 内存结构概述

• Class 文件
• 类加载子系统
• 运行时数据区

• 方法区
• 堆
• 程序计数器
• 虚拟机栈
• 本地方法栈

• 执行引擎
• 本地方法接口
• 本地方法库

如果自己想手写一个 Java 虚拟机的话，主要考虑哪些结构呢？

• 类加载器
• 执行引擎

2.2. 类加载器与类的加载过程

类加载器子系统作用

类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载 Class 文件，class 文件在文件开头有特定的文件标识。

ClassLoader 只负责 class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由 Execution Engine 决定。

加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中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（这部分常量信息是 Class 文件中常量池部分的内存映射）

类加载器 ClasLoader 角色

class file 存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到 JVM 当中来根据这个文件实例化出 n 个一模一样的实例。

class file 加载到 JVM 中，被称为 DNA 元数据模板，放在方法区。

在.class 文件->JVM->最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器 Class Loader），扮演一个快递员的角色。

类的加载过程

/**
 *示例代码
 */
public class HelloLoader {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("Hello World!");
    }
}

用流程图表示上述示例代码：

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(jdk7之前叫永久代，7之后叫元空间)

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

**备注:**JDK8中 Class对象存放在堆区，类的元数据存在方法区（元空间），元数据≠类的Class对象！

Class对象是加载的最终产品，类的方法代码，变量名，方法名，访问权限，返回值等等在方法区（元空间）

补充：加载 class 文件的方式

从本地系统中直接加载(日常在编译器中写的Java代码)

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）：

目的在子确保 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(静态变量)分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。(int类型0,浮点类型0.0,bool类型false,引用类型:null)

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；

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。

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。

初始化阶段

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。(如果该类中没有静态变量的赋值操作/静态代码块,那么该clinit类则不会生成.)

构造器方法中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。

类变量在哪个阶段进行初始化?

链接的准备阶段为类变量分配内存并设置默认初始值,初始化阶段进行显式初始化.(不包括final修饰的static变量)

对于final修饰的static变量,在编译阶段分配内存,在链接的准备阶段就会被设置成指定的值.(无默认初始化)

2.3. 类加载器分类

JVM 支持两种类型的类加载器 。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）。

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。

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有 3 个，如下所示：

这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是子父类的继承关系。

2.3.1. 虚拟机自带的加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载使用 C/C++语言实现的，嵌套在 JVM 内部。(所以无法获取其对象…)

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

并不继承自 ava.lang.ClassLoader，没有父加载器。

加载扩展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。

出于安全考虑，Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun 等开头的类

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/1ib/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。

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

java 语言编写，由 sun.misc.Launchers**$AppClassLoader** 实现

派生于 ClassLoader 类

父类加载器为扩展类加载器

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

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

代码演示

验证三种类加载器

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 上午 9:22
 */
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@1b6d3586
        //获取其上层：获取不到引导类加载器(因为底层使用C/C++编写)
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null
        //对于用户自定义类来说：默认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的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null 引导类加载器无法获取
    }
}

• 验证加载器加载的路径

/**
 * @author shkstart
 * @create 2020 上午 12:02
 */
public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("**********启动类加载器**************");
        //获取BootstrapClassLoader能够加载的api的路径
        URL[] urLs = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element : urLs) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:引导类加载器
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//null
        System.out.println("***********扩展类加载器*************");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类,来看看他的类加载器是什么:扩展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d
    }
}