深入理解Java虚拟机——类加载子系统

深入理解Java虚拟机——Java虚拟机介绍
深入理解Java虚拟机——类加载子系统
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Java内存区域结构

我们如果自己手写一个java虚拟机，主要考虑那些结构？
类加载器和执行引擎
我们今天要说的就是Java内存区域结构中的类加载子系统部分

1：类加载子系统作用

• 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只负贵class文件的加载，至于它是否可以运行，则由ExecutionEngine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而量和数字常量(这部分常量信息是Class文件中常量池部分的内存映射)

2：类加载器ClassLoader角色

上图概述
1：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。
2. class file 加载到JVM中,被称为DNA元数据模板,放在方法区。

3.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 Class Loader) ，扮演一个快递员的角色。

3：类加载过程

以下是对加载，链接，初始化阐述

对加载阶段使用代码解读

对链接阶段使用代码解读
1：如何理解链接中的验证
我们把两个字节码文件（.class）放入BinaryViewer，观察他们开头的二进制字节码


发现都是CA。。。。。BE，说明在进行验证时，如果验证成功会出现开头如上的二进制码

所有可以被java字节码所识别的文件的开头都是CA FE BA BE

2：如何理解链接中的解析
我们对如下代码进行反编译javap -v HelloApp.class

public class HelloApp {
    private static int a = 1;//prepare：a = 0 ---> initial : a = 1
//    private final static int b=2;
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

观察上面两图说明常量池内的符号引用转化为直接引用，在进行解析时

对初始化阶段使用代码解读

public class ClassInitTest {
   private static int num = 1;

   static{
       num = 2;
       number = 20;
       System.out.println(num);
       //System.out.println(number);//报错：非法的前向引用。
   }

   private static int number = 10;  //linking之prepare: number = 0 --> initial: 20 --> 10

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

注意：非法的前向引用。

public class ClinitTest {
    //任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
    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;
    }

}

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) {
        //加载Father类，其次加载Son类。
        System.out.println(Son.B);//2
    }
}

4：类加载器分类

• 类加载器负责加载所有的类，其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载如JVM中，同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样，一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中，一个类用其全限定类名（包括包名和类名）作为标识；但在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。例如，如果在pg的包中有一个名为Person的类，被类加载器ClassLoader的实例kl负责加载，则该Person类对应的Class对象在JVM中表示为(Person.pg.kl)。这意味着两个类加载器加载的同名类：（Person.pg.kl）和（Person.pg.kl2）是不同的、它们所加载的类也是完全不同、互不兼容的。

JVM预定义有三种类加载器，当一个 JVM启动的时候，Java开始使用如下三种类加载器：根类加载器，扩展类加载器，系统类加载器

• 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:

sun.misc.Launcher它是一个Java虚拟机的入口应用

类加载器使用举例：

public class ClassLoader {

    public static void main(String []args){

      //获取系统类加载器 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        java.lang.ClassLoader systemclassLoader=java.lang.ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.print(systemclassLoader);
        System.out.println();

        //获取其上层：扩展类加载器 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617c
        java.lang.ClassLoader extClassLoader=systemclassLoader.getParent();
        System.out.print(extClassLoader);
        System.out.println();

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

        //获取用户自定义类加载器：默认使用统类加载器加载 sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        java.lang.ClassLoader classLoader=ClassLoader.class.getClassLoader();
        System.out.print(classLoader);
        System.out.println();

        //String类用引导类加载器进行加载--》Java核心类库都是使用引导类加载器加载 null
        java.lang.ClassLoader classLoader1=String.class.getClassLoader();
        System.out.print(classLoader1);
        System.out.println();
    }

}

总结：
1：引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)好比大哥，结果是null，不容易见到，自定义类加载器好比小弟，可以见到地址
2：Java核心类库都是使用引导类加载器加载
3：取用户自定义类加载器：默认使用统类加载器加载

4.1 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。
• 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java. 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

获取引导类加载器可以加载api的路径的举例

public class ClassLoader1 {

    public static void main(String []args){

        //获取引导类加载器可以加载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);
    }

4.2 扩展类加载器(Extension ClassLoader )

• Java语言编写，由sun. misc. LauncherSExtClassLoader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/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。

获取扩展类加载器可以加载api的路径的举例

public class ClassLoader1 {

    public static void main(String []args){

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

        System.out.println("扩展类加载器");
        String exDirs=System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : exDirs.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.print
    }
}

4.3 应用程序类加载器(系统类加载器，AppClassLoader )

• java语言编写，由sun .misc .LauncherSAppClassLoader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ClassLoadertgetSystemClassLoader ()方法可以获取到该 类加载器

4.4 自定义类加载器

• 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。

• 为什么要自定义类加载器?
  1：隔离加载类
  2：修改类加载的方式
  3：扩展加载源:
  4：防止源码泄漏

5：关于ClassLoader

ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）

6：双亲委派机制

Java虛拟机对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。

从而引出类加载器加载Class大致要经过如下8个步骤：
1：检测此Class是否载入过，即在缓冲区中是否有此Class，如果有直接进入第8步，否则进入第2步。:
2：如果没有父类加载器，则要么Parent是根类加载器，要么本身就是根类加载器，则跳到第4步，如果父3类加载器存在，则进入第3步。
3：请求使用父类加载器去载入目标类，如果载入成功则跳至第8步，否则接着执行第5步。
4：请求使用根类加载器去载入目标类，如果载入成功则跳至第8步，否则跳至第7步。
5：当前类加载器尝试寻找Class文件，如果找到则执行第6步，如果找不到则执行第7步。
6：从文件中载入Class，成功后跳至第8步。
7：抛出ClassNotFountException异常。
8：返回对应的java.lang.Class对象。

• 原理：
  1)如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行;
  2)如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达项层的启动类加载器;
  3)如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派机制
  
  举例说明双亲委派机制
  在src下创建java.lang.String写上如下类

String.class

public class String {

    static {

        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码快");
    }
}

写一个StringTest观察运行结果

public class StringTest {

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

优点：

• 避免类的重复加载
• 保护程序安全，防止核心API被修改
  

6.1 沙箱安全机制

自定义string类，但是在加载自定义String类的时候会率先使用引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载jdk自带的文件(rt. jar包中java\lang\String.class),报错信息说没有main方法就是因为加载的是rt. jar包中的String类。这样可以保证对java核心源代码的保护，这就是沙箱安全机制。

7：补充

在JVM中表示两个class对象是否为同一个类存在两个必要条件:

• 类的完整类名必须-一致，包括包名。
• 加载这个类的ClassLoader (指ClassLoader实例对象)必须相同。

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。

• 对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由启动加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是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 要保证这两个类型的类加载器是相同的。

• 类的主动使用和被动使用

主动使用，又分为七种情况:

1：创建类的实例
2：访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
3：调用类的静态方法
4：反射(比如: Class. forName (“com. atguigu. Test") )
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：JDK 7开始提供的动态语言支持:

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。