JVM类装载子系统 |几种类加载机制的介绍与演示

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本文探讨JVM架构图中的类加载机制(Class Loader)，即Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存， 并对数据进行校验、 转换解析和初始化， 最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型的过程。

类加载器的作用

作用：Class Loader负责加载Class文件到内存。

.class文件的来源

• 从本地系统中直接加载。
• 通过网络获取，如典型的Web Applet
• 从zip压缩包、jar包、war包中读取
• 运行时计算生成，如动态代理技术
• 由其他文件生成，如JSP应用
• 从专有数据库中提取.class文件，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。

Class Loader仅负责Class文件的加载，至于Class文件是否可运行，则由JVM简图中的执行引擎ExecutionEngine决定。

加载的类信息存放在一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，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(运行时常量池信息对应Class文件中常量池的内存映射)

一、Loading加载阶段

加载：
①通过类的全限定名获取定义此类的二进制字节流。

②将这个字节流代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构(即将类信息映射到方法区)。

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

方法区只是一个概念，不同版本的JDK可能有不同的落地实现，JDK7及以前称为永久带，JDK7以后称为元空间。

二、Linking链接阶段

Verify验证

• 目的在于确保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。
• 主要包括文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

Prepare准备

• 为类变量分配内存，并设置类变量的默认初始值0。
• $这里不包含被final修饰的static，因为被final修饰的static是常量。常量在编译的时候就已经分配值了。$
• $这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量会随着对象一起分配到Java堆中。$

Resolve解析

• 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
• 事实上，解析操作通常在JVM执行完初始化操作之后执行。
• 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。

三、Initialization初始化阶段

• 初始化阶段就是调用执行类构造器方法()的过程。
• 此方法不需定义，是Javac编译器自动收集类中的所有 ①类变量的赋值动作②静态代码块中的语句合 并而来的。
• 构造器方法中的指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
• ()不同于类的构造器。(构造器是虚拟机视角下的())
• 若该类已有父类，JVM会保证子类的()执行前，父类的()已经执行完毕。
• 虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁，即clint方法调用时虚拟机会自动加锁，保证初始化的线程安全问题。

四、几种类加载器的介绍与演示

• JVM支持两种类型的类加载器，分别是引导类加载器(BootstrapClassLoader)和自定义类加载器(User-DefinedClassLoader)。
• Java虚拟机规范中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。(即凡是直接或间接继承ClassLoader类的都是自定义类加载器)

package com.gql;

/**
 * 四种类加载器
 *
 * 最上层          bootstrapClassLoader    引导类加载器  -->Java的核心类库
 * 中间层          ExtClassLoader          扩展类加载器
 * 最下层          systemClassLoader       系统类加载器  -->用户自定义类加载器
 *
 @author Hudie
 @date 2020/7/25 - 23:51
 */
public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        //获取底层的系统类加载器:AppClassLoader(系统类加载器)
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //获取系统类加载器上层:ExtensionClassLoader(扩展类加载器)
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586

        //获取扩展类加载器上层:bootstrapClassLoader(引导类加载器)
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null
        /**
         * 发现拿不到bootstrapClassLoader的地址,这是因为bootstrapClassLoader是使用c/c++语言编写的,而其他可以获取到
         * 地址的加载器都是使用JAVA编写的.
         */

        //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(bootstrapClassLoader)进行加载.-->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
    }
}

1.启动/引导类加载器(Bootstrap ClassLoader)

• 这个类加载器使用C/C++语言实现，嵌套在JVM内部。
• 它用来加载Java的核心库，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。

package com.gql;

import java.net.URL;

/**
 * 启动类加载器
 @author Hudie
 @date 2020/7/26 - 1:19
 */
public class ClassLoaderTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("*********启动类加载器能够加载的API路径**********");
        //获取BootstrapClassLoader能够加载的API的路径，这些路径下为Java的核心库
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL element : urls) {
            System.out.println(element.toExternalForm());
        }
        //任选一个路径,这里选择jsse.jar,将其解压后发现了Provider.class文件,我们来查看其类加载器是什么
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
        //打印结果为null,可以确定其就是BootstrapClassLoader
    }
}
输出：
*********启动类加载器能够加载的API路径**********
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/resources.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/rt.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/jsse.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/jce.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/charsets.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/lib/jfr.jar
file:/E:/JDK/jdk-8u251/jre/classes
null

2.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jar/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。

package com.gql;

import com.sun.org.apache.xerces.internal.util.SynchronizedSymbolTable;
import sun.security.ec.CurveDB;

import java.net.URL;
import java.security.Provider;

/**
 * 启动类加载器和扩展类加载器
 @author Hudie
 @date 2020/7/26 - 1:19
 */
public class ClassLoaderTest01 {
    public static void main(String[] args) {
        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);
        }
        //以ext中的sunec.jar为例,解压后发现CurveDB.class,我们来查看其类加载器是什么
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println("classLoader1 = " + classLoader1);
    }
}
输出：
*********扩展类加载器**********
E:\JDK\jdk-8u251\jre\lib\ext
C:\WINDOWS\Sun\Java\lib\ext
classLoader1 = sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4b67cf4d

3.应用程序/系统类加载器(App ClassLoader)

• Java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassloader实现。
• 派生于ClassLoader类。
• 父类加载器为启动类加载器。
• 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的。
• 通过ClassLoader的System Class Loader()方法可以获取到该类加载器。

4.用户自定义类加载器

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，我们还可以定义自定义类加载器，来定制类的加载方式。

为什么要自定义类加载器？

• 隔离加载类。(类包发生冲突时进行仲裁)
• 修改类加载的方式。
• 扩展加载源。
• 防止源码泄露。

用户自定义类加载器的实现步骤：

1.开发者可以继承抽象类java.lang.ClassLoader类，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求。

2.在JDK1.2以前，自定义类加载器时，总会去重写loadClass()方法，从而实现自定义的类加载器，但是JDK1.2之后建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中。

3.编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承URLClassLoader类，这一就可以避免自己去编写findClass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁。

下面给出一个自定义类加载器的实现模型，具体实现时，可以其为框架进行编写，后续文章会给出完整的自定义类加载器

package com.gql;

import java.io.FileNotFoundException;

/**
 * 自定义类加载器模型
 @author Hudie
 @date 2020/7/26 - 2:00
 */
public class MyClassLoader extends ClassLoader {
    /**
     *
     * @param name
     * @return 返回内存层面一个大的Class实例
     * @throws ClassNotFoundException
     */
    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            //根据指定的路径name,将.class文件以二进制流的方式读入内存,形成一个字节数组.
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                //findClass需要和defineClass配合使用
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        //从自定义路径中加载指定类:细节略
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密,则需要在此方法中进行解密操作.解密后还原成内存中的字节数组
        return null;
    }

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

五、ClassLoader的常用方法

再次明确，除了引导类加载器(BootstrapClassLoader)之外，其它的类加载器都是直接或间接的继承自抽象类ClassLoader。

下图可以看出ExtClassLoader和AppClassLoader都是间接继承了ClassLoader。

sun.misc.Launcher是Java虚拟机的入口应用。ExtClassLoader和AppClassLoader都是Launcher里面的内部类。

获取ClassLoader的途径：

下面演示上述四种途径获取ClassLoader的方式。

package com.gql;

/**
 * 获取ClassLoader的方法
 @author Hudie
 @date 2020/7/26 - 2:52
 */
public class getClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //方式1: clazz.getClassloader()
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println("classLoader = " + classLoader);

            //方式2: Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println("contextClassLoader = " + contextClassLoader);

            //方式3: ClassLoader.getSystemClassLoader();      //获取系统类加载器
            ClassLoader.getSystemClassLoader();
            System.out.println("contextClassLoader = " + contextClassLoader);
            //方式4: DriverManager.getCallerClassLoader();    //获取调用者的ClassLoader
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }
}