类加载机制ClassLoader

可视化编辑器做的太垃圾了 , 把word笔记放在了附件里面

 

ClassLoader主要作用 : 将.class后缀的字节码文件从硬盘上装载到内存中 ;

1.类加载器深入剖析

Java虚拟机与程序的生命周期 :
      当我们执行一个java程序的时候 , 会启动一个JVM进程 , 当程序执行完之后 , JVM进程就消亡了 ;
在如下情况下JVM将结束声明周期 :

• System.exit(int)方法 , 当执行这个方法的时候 , 虚拟机会退出 ; 这个方法传入一个整形参数 , 这个参数是状态吗 :  如果这个整形是 0 的话 , 就是正常退出 , 如果不是0的话 , 就是异常退出 ;
• 程序正常结束 ;
• 程序执行过程中 , 遇到了异常或错误 , 而异常终止 : 如果我们在程序中出现了异常 , 而不去处理 , 会将异常一直抛给main函数 , main函数会将异常抛给JVM , JVM如果处理不了异常 , JVM就会异常退出 ;
• 由于操作系统出现错误导致JVM进程终止 : JVM所依赖的平台出现错误 , 导致JVM终止 ;

 

2.类的加载,连接和初始化

• 加载 : 查找并加载类的二进制数据 , 将class字节码文件加载到内存中 ;
• 连接  :

            - 验证 : 确保被加载的类的正确性 , 使用javac 编译工具生成的字节码文件能通过验证 , 如果不是由javac编译生成的字节码文件 , 如果自己生成的字节码文件不符合JVM虚拟机对字节码文件的要求的话 , 可能会出现验证通不过的情况  ; 比如说随便拿一个文件 , 将后缀名直接修改为.class , 这样的字节码文件肯定不合法 ;
            - 准备 : 为类的静态变量分配内存 , 并将其初始化为默认值 ;
            - 解析 : 把类中的符号引用转为直接引用 ;
• 初始化  : 为类的静态变量赋予正确的初始值(正确的值指的是用户赋的值) ;
            -好像这个与连接阶段的准备有些重复 , 在连接的准备阶段只是赋予初始变量 , 如果用户给这个变量赋了初始值 , 那么这个变量在连接的准备阶段仍然会赋予初始值 ;
            -在这个阶段 , 才会真正的将初始值赋给静态变量 ;

      Java程序对类的使用方式有 主动使用 和 被动使用 ;
      所有的JVM实现 , 必须在每个类或者接口 , 被java程序 “首次主动使用” 时才初始化他们 ;
主动使用 :

•  创建类的实例 ;
•  访问某个类或接口的静态变量 , 或者对该静态变量赋值 ;
•  调用类的静态方法 ;
•  反射 : Class.forName(“类名”) ;
•  初始化一个类的子类 , 看做对父类的主动使用 ; 
•  java虚拟机启动的时候 , 被标明启动类的类 , 即包含main方法的类 , 程序的入口 ;

      除了上面6种主动使用之外 , 其它的情况均为被动使用 , 其它情况都不会执行第三步初始化 ;

 

 

 

3.类的加载

(1)概念

 

• 类的加载 : 指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中 , 将其放在运行时数据区的方法区内 , 然后再堆区创建一个java.lang.Class对象 , 用来封装类在方法区内的数据结构 ;
• 反射 : 反射就是跟句堆区的字节码文件 , 获取方法去的数据结构 ;
• 解析 : Class对象是由JVM自己创建的 , 所有的对象都是经过Class对象创建 , 这个Class对象是反射的入口 , 通过Class对象 , 可以关联到目标class字节码文件的内部结构 ;

 

    所有的类对应的Class对象都是唯一的一个 , 这个类是由JVM进行创建的 , 并且只有JVM才会创建Class对象 ; 

 

类加载的最终产品是位于堆区中的Class对象 , Class对象封装了类在方法区内的数据结构 , 并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口(反射用的接口) ;

 

 

(2)加载.class文件的方式

从本地系统中直接加载 : 编译好的.class字节码文件直接从硬盘中加载 ;

通过网络下载.class文件 : 将class字节码文件放在网络空间中 , 使用URLClassLoader来加载在网络上的.class字节码文件 , 使用默认的父亲委托机制加载字节码文件 ;

从zip , jar 等压缩文件中加载字节码文件 : 在开发的时候 , 导入jar包 , 就是这种方式 ;

从专有的数据库中提取字节码文件 ;

将java源文件动态编译为字节码文件 ;

 

(3)类加载器

  l  Java虚拟机自带的类加载器 :

     -根类加载器 ( Bootstrap ) : 是C++写的 , 程序员无法再java代码中获取这个类 , 如果使用getClassLoader()方法获取到的是一个null值 ;

     package jvm;

public class ClassLoaderTest {
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		//java.lang包下的类使用的是跟类加载器进行加载的
		Class clazz = Class.forName("java.lang.String");
		System.out.println(clazz.getClassLoader());
		//自定义的类使用的是应用类加载器(系统加载器)
		Class clazz2 = Class.forName("jvm.C");
		System.out.println(clazz2.getClassLoader());
	}
}
class C{} 

 执行结果 : 

   null

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@1372a1a

     -扩展类加载器 ( Extension ) : Java编写 ;

  -系统类加载器(应用加载器) ( System )  : Java编写 ; 

 

 

用户自定义的类加载器 :

-自定义的类加载器都是java.lang.ClassLoader子类 ;

-用户可以定制类的加载方式

 

      String类是由根类加载器进行加载的 , 我们可以调用Class对象的

 

关于代理中创建对象的类加载器 : 创建代理对象的时候 , 动态创建一个类 , 然后使用指定的类加载器将这个类加载到内存中 , 然后用加载到内存中的类生成代理对象 ;

创建代理对象的方法 : newProxyInstance(ClassLoader loader , Class [] Interfaces , InvocationHandler h )

      loader 是定义的代理类的类加载器 , 中间的接口数组是代理类的要实现的接口列表 , h 是指派方法调用的调用处理程序 ;

 

类加载器并不需要在某个类被 “首次主动使用” 时再加载它 :

-预加载机制 : JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用的时就预先加载它 ;

-报错时机 : 如果在预加载的过程中遇到了字节码文件缺失或者存在错误的情况 , 类加载器会在程序首次主动使用(上面提到的六种情况)该类的时候报错(LinkageError错误) ;

-不报错时机 : 如果这个错误的字节码文件所对应的类一直没有被使用 , 那么类加载器就不会报告错误 , 即便有错误也不会报错 ;

 

LinkageError : 这个错误是Error的子类 , 程序不能处理这些错误 , 这些错误都是由虚拟机来处理 , 这个错误表示出错的是子类 , 在一定程序上依赖于另一个类 , 在编译了前面一个类的时候 , 与后面所依赖的类出现了不兼容的情况 ;

例如 : 我们使用了jdk 1.6 在编译一个程序 , 但是运行环境是jre1.5的 , 就会出现LinkageError错误 ;

4.类的连接

(1)定义

类被加载之后 , 就进入链接阶段 ; 链接 : 将已读入内存的二进制数据合并到虚拟机的运行时环境中去 ;

   链接顾名思义就是讲类与类之间进行关联 , 例如我们在类A中调用了类B , 在链接过程中 , 就将A与B进行链接 , 将面向对象语言转化为面向过程语言 ;

  

(2)类的验证

类文件的结构检查 : 确保类文件遵从java类文件的固定格式 , 开始类的描述 , 声明 , 方法调用格式等 ;

语义检查 : 确保类本身符合java语言的语法规定 , 比如final类型的类没有子类 , final类型的方法没有被覆盖 , 在eclipse中这种错误编译的时候不能通过 , 但是通过其他的方法可以生成错误的字节码文件 , 这里就是检测恶意生成的字节码文件 ;

字节码验证 : 确保字节码流可以被JVM安全的执行 , 字节码流代表java方法(包括静态方法和实例方法) , 它是由被称作操作码的单字节指令组成的序列 , 每一个操作码后面跟着一个或多个操作数 , 字节码验证步骤会检查每个操作码是否合法 , 即是否有着合法的操作数 ;

下面是指令码组成的序列 , 类似于微指令 : 

 

// Compiled from ByteToCharCp1122.java (version 1.5 : 49.0, super bit)
public class sun.io.ByteToCharCp1122 extends sun.io.ByteToCharSingleByte {
  
  // Field descriptor #17 Lsun/nio/cs/ext/IBM1122;
  private static final sun.nio.cs.ext.IBM1122 nioCoder;
  
  // Method descriptor #18 ()Ljava/lang/String;
  // Stack: 1, Locals: 1
  public java.lang.String getCharacterEncoding();
    0  ldc <String "Cp1122"> [1]
    2  areturn
      Line numbers:
        [pc: 0, line: 25]
  
  // Method descriptor #2 ()V
  // Stack: 2, Locals: 1
  public ByteToCharCp1122();
     0  aload_0 [this]
     1  invokespecial sun.io.ByteToCharSingleByte() [25]
     4  aload_0 [this]
     5  getstatic sun.io.ByteToCharCp1122.nioCoder : sun.nio.cs.ext.IBM1122 [23]
     8  invokevirtual sun.nio.cs.ext.IBM1122.getDecoderSingleByteMappings() : java.lang.String [27]
    11  putfield sun.io.ByteToCharSingleByte.byteToCharTable : java.lang.String [24]
    14  return
      Line numbers:
        [pc: 0, line: 28]
        [pc: 4, line: 29]
        [pc: 14, line: 30]
  
  // Method descriptor #2 ()V
  // Stack: 2, Locals: 0
  static {};
     0  new sun.nio.cs.ext.IBM1122 [15]
     3  dup
     4  invokespecial sun.nio.cs.ext.IBM1122() [26]
     7  putstatic sun.io.ByteToCharCp1122.nioCoder : sun.nio.cs.ext.IBM1122 [23]
    10  return
      Line numbers:
        [pc: 0, line: 22]
}

 l  二进制兼容性的验证 : 确保相互引用的类之间协调一致的 ; 例如在A类的a()方法中调用B类的b()方法 , JVM在验证A类的时候 , 会验证B类的b()方法 , 加入b()方法不存在 , 或者版本不兼容(A,B两类使用不同的JDK版本编译) , 会抛出NoSuchMethodError错误 ;

 

 

(3)准备阶段

   在准备阶段 , JVM为类的静态变量分配内存空间 , 并设置默认的初始值 . 例如下面的Sample类 , 在准备阶段 , 为int类型的静态变量分配4个字节 , 并赋予初始值 0  ; 为long 类型的静态变量 b , 分配8个字节 , 并赋予初始值 0 ;

   PS : 在java中基本类型变量占用的空间是一定的 , java运行在JVM上的 , 在C中 , 就要根据平台变化而变化了 ;

 

    public class Sample {

	private static 	int a = 1 ;
	private static long b ;
	static {
		b = 2 ;
	}
}

 (4)类的解析

   在解析阶段 , JVM 会把类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用 , 例如在A类中的a()方法引用B类中的b()方法 ;

   在A类的二进制数据中包含了一个对B类的b()方法的符号引用 , 这个符号引用由b()方法的全名和相关的描述符组成 , 在Java解析阶段 , 就会把这个符号引用替换为指针 , 这个指针就是C语言中的指针了 , 该指针指向B类的b()方法在方法区中的内存位置 , 这个指针就是直接引用 ;

 

5.类的初始化

   在初始化阶段 , Java虚拟机执行类的初始化操作 , 为类的静态变量赋予初始值 , 在程序中 , 静态变量初始化有两种途径 :

直接在声明处进行初始化 , 例如下面的Sample中的 变量a ;

在静态代码块中进行初始化 , 例如下面的Sample中的变量b ; 

 

public class Sample {
	private static 	int a = 1 ;
	private static long b ;
	static {
		b = 2 ;
	}
}

 

 

6.面试题介绍

 

public class PrepareOrInit {
	public static void main(String[] args) {
		Singleton singleton = Singleton.getInstance();
		System.out.println(singleton.count1);
		System.out.println(singleton.count2);
	}
}
class Singleton{
	private static Singleton singleton = new Singleton() ;
	public static int count1 ;
	public static int count2 = 0 ;
	private Singleton(){
		count1 ++ ;
		count2 ++ ;
	}
	public static Singleton getInstance(){
		return singleton ;
	}
}

 执行结果 : 1    0 

 

分析 : 这段代码与类的链接中的准备阶段 和 初始化阶段 有关系 , 准备阶段是给静态的字段赋予默认值 , 初始化阶段给静态变量赋予正确的值 , 即用户的值 ;

在主函数中 , 调用了类的静态方法 , 相当于主动使用 , 这里调用了类的静态方法 ;

之后进行连接的准备操作 , 给类中的静态变量赋予初值 , singleton值为null , count1 与 count2 值为0 ;

执行初始化操作 , 给类中的静态变量赋予正确的值 , 给singleton变量赋予正确的值 , 调用构造方法 , 此时count1 与 count2执行自增操作 , 两者都变成1 , 然后执行count1的赋予正确值操作 , 这里用户没有赋值操作 , count2 用户进行了 赋值为0的操作 , 0将原来的1覆盖掉了 , 因此结果为 1 , 0 ;

 

 

 

public class PrepareOrInit {
	public static void main(String[] args) {
		Singleton singleton = Singleton.getInstance();
		System.out.println(singleton.count1);
		System.out.println(singleton.count2);
	}
}
class Singleton{
	public static int count1 ;
	public static int count2 = 0 ;
	private static Singleton singleton = new Singleton() ;
	private Singleton(){
		count1 ++ ;
		count2 ++ ;
	}
	public static Singleton getInstance(){
		return singleton ;
	}
}

 执行结果 : 1   1 

 

 

在准备阶段count1 和 count2 都赋值为0 , 然后在初始化阶段 , 全部赋值为1 ;