B01、类加载子系统-02

JVM架构图-英文版

中文版见下图：

1、概述类的加载器及类加载过程

1.1、类加载子系统的作用

        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（执行引擎）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)

1.2、类加载器（ClassLoader）角色

1. classfile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. classfile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ClassLoader)  扮演一个快递员的角色。

1.3、类的加载过程

ClassLoader 内部流程

一个类的加载过程

2、类的加载过程

2.1、Loading 阶段

        通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流；然后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；最终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。

加载 .class 文件的几种方式：

1. 从本地系统中直接加载
2. 通过网络获取，典型场景：Web Applet
3. 从zip压缩包中读取，成为日后jar、war格式的基础
4. 运行时计算生成，使用最多的是：动态代理技术
5. 由其他文件生成,典型场景：JSP应用
6. 从专有数据库中提取.class文件,比较少见
7. 从加密文件中获取，典型的防Class文件被反编译的保护措施

特别注意：系统中出现大的实例就是从这个环节出现的。

2.2、Linking 阶段

        Linking阶段主要分为三部分，分别是验证（Verify）、准备（Prepare）与解析（Resolve）三个环节。详细说明如下：

• 验证（Verify）：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即规范， 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）：为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。
  • 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。

2.3、Initialization阶段

        初始化阶段就是执行类构造器方法 () 的过程。此方法不需定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来，也就是说当类中没有静态代码块或类变量赋值时就没有该方法：

        构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。关于如何查看该方法，可以根据以下示例方法查看。比如创建一个这么的类并生成字节码文件：

        随后在电脑里安装以下软件后，双击打开指定的 Java 类字节码文件，如下图所示：

查看软件下载

        随后在打开软件的页面里找到 Methods 目录，展开可以查看到该类自动生成的 () 方法，详见下图：

---

        此外这里在说明一个示例，是与平常编写不一样的例子。就是某个静态变量的赋值在前面，声明在后面的。就好比下面的实例：

package org.blnp.cn.demos.chapter01;

/**
 * @ClassName org.blnp.cn.demos.chapter01.ClassInitTest
 * @Description 

 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-19 21:22
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-19 21:22 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class ClassInitTest {

    private static int num = 10;

    static {
        numbers = 30;
    }

    private static int numbers = 5;

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

原因：原因也就是上文说的 “构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行”，因为在 连接（Linking）过程的准备（Prepare）阶段时，number变量就已经被赋值为零值了；而当进入到初始化（Initialization）阶段时被赋值为 “30” 了，当程序按顺序执行到下文时 number 变量最终被赋值为 5 了。

Linking  --> Prepare：number = 0 -->  initialization：number = 30  -->  number = 5

        根据Java代码可以得知 number 变量是先赋值成 30 在最后赋值成 5 的，此时我们通过工具查看重新生成的字节码文件核对查看下，可以得知以下结果：

        可以看到也是和预计的结果是一样的。虽然在静态代码块里可以对后声明的变量进行赋值，但是并不能调用，如果进行调用的话将会提示以下错误（Illegal forward reference：非法的前向引用）。

        可能会疑问，那如果是这样的话还有什么用？看下面示例就清楚了：

        ()不同于类的构造器。(关联:构造器是虚拟机视角下的())若该类具有父类，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。也就是说 方法只会被执行一次，比如下面这个示例：

package org.blnp.cn.demos.chapter01;

/**
 * @ClassName org.blnp.cn.demos.chapter01.DeadThredTest
 * @Description 

 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-25 22:49
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-25 22:49 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class DeadThredTest {

    public static void main(String[] args) {
        Runnable run = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            DeadThreads dead = new DeadThreads();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        };

        Thread thread1 = new Thread(run, "线程1");
        Thread thread2 = new Thread(run, "线程2");

        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

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

            }
        }
    }
}

3、类加载器分类

3.1、引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）

        又叫启动类加载器（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；

        Bootstrap ClassLoader用来加载Java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jarbsun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类；此外 Bootstrap ClassLoader并不继承自java.lang.ClassLoader，它没有父加载器；并且出于安全考虑，Bootstrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类；

package org.blnp.cn.demos.chapter01;

import java.net.URL;

/**
 * @ClassName org.blnp.cn.demos.chapter01.LoaderTest
 * @Description 

 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-26 20:27
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-26 20:27 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class LoaderTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("\n**********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 = java.security.Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//null  引导类加载器是获取不到的

        System.out.println("\n***********扩展类加载器*************");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")) {
            System.out.println(path);
        }

        System.out.println("\n***********扩展类加载器2*************");
        //获取系统类加载器：输出 => sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);

        //获取其上层，扩展类加载器： => sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);

        //在获取它的上层，结果无法获取到： null
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);


        //对于用户创建的类来说，默认使用的是系统类加载器： => sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        ClassLoader classLoader1 = LoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);

        //String 类使用的是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）: =》 null
        ClassLoader classLoader2 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader2);
    }
}

3.2、自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）

        这里的自定义并非是说由开发人员自定义的类加载器。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。

4、扩展类与系统类加载器的使用

4.1、扩展类加载器(Extension ClassLoader)

        是通过 Java 语言编写的，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。并派生于ClassLoader类，其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。

4.2、系统类加载器（应用程序类加载器 - AppClassLoader)

        也是java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现，并派生于ClassLoader类；其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。

4.3、用户自定义类加载器

什么是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

用户自定义类加载器的实现步骤？

1.开发人员可以通过继承抽象类 java.lang.ClassLoader类的方式,实现自己的类加载器,以满足一些特殊的需求

2.在JDK1.2之前,在自定义类加载器时,总会去继承ClassLoader类并重写loadclass()方法,从而实现自定义的类加载类,但是在JDK1.2之后已不再建议用户去覆盖loadclass()方法,而是建议把自定义的类加载逻辑写在findclass()方法中

3.在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,这样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。
 

package org.blnp.cn.demos.chapter01;

import java.io.FileNotFoundException;

/**
 * @ClassName org.blnp.cn.demos.chapter01.CustomClassLoaders
 * @Description 
用户自定义实现类加载器示例
 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-27 23:03
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-27 23:03 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class CustomClassLoaders extends ClassLoader {

    @Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            //从指定路径中加载具体的类，以二进制流的方式进行读取
            byte[] result = getClassFromCsutomPath(name);
            if (null == result) {
                throw new FileNotFoundException();
            }else {
                return defineClass(name,result,0,result.length);
            }
        }catch (FileNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCsutomPath(String name){
        //todo 从自定义路径中加载指定类
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoaders classLoaders = new CustomClassLoaders();

        try {
            Class oneTest = Class.forName("OneTest", true, classLoaders);
            Object instance = oneTest.newInstance();
            System.out.println(instance.getClass().getClassLoader());
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

4.4、ClassLoader 的常用方法

        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)

方法名称	描述
getParent	返回该类加载器的超类加载器
loadClass(String name)	加载名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
findClass(String name)	查找名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
findLoadedClass(String name)	查找名称为name的已经被加载过的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
defineClass(String name,byte[] b.int off,int len)	把字节数组b中的内容转换为一个Java类，返回结果为java.lang.Class类的实例
resolveClass(Class c)	连接指定的一个Java类

获取 ClassLoader 的几种方式：

方式一：获取当前类的 ClassLoader

clazz.getClassLoader()

方式二：获取当前线程上下文的ClassLoader

Thread.currentThread().getContextClassLoader()

方式三：获取系统的classLoader

ClassLoader.getSystemClassLoader()

方式四：获取调用者的classLoader

DriverManager.getCallerClassLoader()

完整示例代码：

package org.blnp.cn.demos.chapter01;

/**
 * @ClassName org.blnp.cn.demos.chapter01.ClassLoaderTest2
 * @Description 

 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-27 23:30
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-27 23:30 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class ClassLoaderTest2 {

    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader);
            //2.
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

            //3.
            ClassLoader classLoader2 = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(classLoader2);

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

5、双亲委派机制

5.1、工作原理

什么是双亲委派机制？

        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。

工作原理？

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,请求最终将到达顶层的启动类加载器；
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,这就是双亲委派模式。

5.2、使用示例

package org.blnp.cn.demos.chapter01;

/**
 * @ClassName org.blnp.cn.demos.chapter01.StringTaskTest
 * @Description 
双亲委派机制案例演示
 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-27 23:46
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-27 23:46 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class StringTaskTest {

    public static void main(String[] args) {
        String str = new String();
        System.out.println("双亲委派机制演示……");

        StringTaskTest taskTest = new StringTaskTest();
        System.out.println("taskTest.getClass().getClassLoader() = " +
                taskTest.getClass().getClassLoader());
    }
}

package java.lang;

/**
 * @ClassName java.lang.String
 * @Description 

 * @Author liaoyibin [email protected]
 * @CreateDate 2023-12-27 23:48
 * @Version v1.01
 * @ModifyRecord 
 * 版本 修改人 修改时间 修改内容描述
 * ----------------------------------------------
 * 1.00 liaoyibin 2023-12-27 23:48 新建
 * ----------------------------------------------
 * 
 */
public class String {

    static {
        System.out.println("我是自定义的，不合规案例演示对象！！");
    }
}

输出结果：  

Connected to the target VM, address: '127.0.0.1:34703', transport: 'socket'
Disconnected from the target VM, address: '127.0.0.1:34703', transport: 'socket'
双亲委派机制演示……
taskTest.getClass().getClassLoader() = sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

Process finished with exit code 0

        根据输出结果可以得知，Java 类的加载机制是向上进行委托加载的。否则在当前工程内已有一个同包同名的类必然被加载访问并输出结果。但明显是没有，使用的是Java包的String类。

        当然，还有一个最简单的验证方式。那就是在自己定义的 String 方法里直接执行 main 方法，结果如下所示：

5.3、优势

1. 避免类的重复加载
2. 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

6、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、类的主动使用与被动使用

7.1、前言

        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:

1. 类的完整类名必须一致,包括包名。
2. 加载这个类的ClassLolader (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。

7.2、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。

7.3、主动使用 & 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。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：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

        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。​​​​​​​