JVM类加载机制

Posted 2020-10-05 芬芬是个乖宝宝

1 什么是类的加载

　　类的加载是将类的.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（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），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，并且向java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

加载.class文件的方式
– 从本地系统中直接加载
– 通过网络下载.class文件
– 从zip，jar等归档文件中加载.class文件
– 从专有数据库中提取.class文件
– 将Java源文件动态编译为.class文件

2 类的生命周期

生命周期 ：  装载 - 链接 - 初始化 - 使用 - 卸载

其中类加载的过程包括了装载、验证、准备、解析、初始化五个阶段。在这五个阶段中，装载、验证、准备和初始化这四个阶段发生的顺序是确定的，而解析阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化阶段之后开始，这是为了支持Java语言的运行时绑定（也成为动态绑定或晚期绑定）。另外注意这里的几个阶段是按顺序开始，而不是按顺序进行或完成，因为这些阶段通常都是互相交叉地混合进行的，通常在一个阶段执行的过程中调用或激活另一个阶段。

2.1 装载：

装载时类加载过程的第一个阶段，在装载阶段，虚拟机需要完成以下三件事情：

    1、通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。

    2、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。

    3、在Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为对方法区中这些数据的访问入口。

    相对于类加载的其他阶段而言，装载阶段（准确地说，是装载阶段获取类的二进制字节流的动作）是可控性最强的阶段，因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成装载，也可以自定义自己的类加载器来完成装载。

   装载阶段完成后，虚拟机外部的 二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象，这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

2.2 链接

 – 验证：确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：

文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。

字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

符号引用验证：确保解析动作能正确执行。

验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。

 – 准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值

   准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意：

    1、这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

    2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。

   假设一个类变量的定义为：public static int value = 3；

   那么变量value在准备阶段过后的初始值为0，而不是3，因为这时候尚未开始执行任何Java方法，而把value赋值为3的putstatic指令是在程序编译后，存放于类构造器<clinit>（）方法之中的，所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

    3、如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，即同时被final和static修饰，那么在准备阶段变量value就会被初始化为ConstValue属性所指定的值。

   假设上面的类变量value被定义为： public static final int value = 3；

   编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为3。回忆上一篇博文中对象被动引用的第2个例子，便是这种情况。我们可以理解为static final常量在编译期就将其结果放入了调用它的类的常量池中

 这里还需要注意如下几点：
· 对基本数据类型来说，对于类变量（static）和全局变量，如果不显式地对其赋值而直接使用，则系统会为其赋予默认的零值，而对于局部变量来说，在使用前必须显式地为其赋值，否则编译时不通过。
· 对于同时被static和final修饰的常量，必须在声明的时候就为其显式地赋值，否则编译时不通过；而只被final修饰的常量则既可以在声明时显式地为其赋值，也可以在类初始化时显式地为其赋值，总之，在使用前必须为其显式地赋值，系统不会为其赋予默认零值。
· 对于引用数据类型reference来说，如数组引用、对象引用等，如果没有对其进行显式地赋值而直接使用，系统都会为其赋予默认的零值，即null。
· 如果在数组初始化时没有对数组中的各元素赋值，那么其中的元素将根据对应的数据类型而被赋予默认的零值。

– 解析：把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，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、方法句柄和调用点限定符7类符号引用进行。

符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。

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。

2.3 初始化

初始化，对类的静态变量，静态代码块执行初始化工作。（按照static在代码中的顺序顺序执行）

在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

  ①声明类变量是指定初始值

  ②使用静态代码块为类变量指定初始值

 JVM初始化步骤

 1、假如这个类还没有被加载和连接，则程序先加载并连接该类

 2、假如该类的直接父类还没有被初始化，则先初始化其直接父类

 3、假如类中有初始化语句，则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机：只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化，类的主动使用包括以下六种：

– 创建类的实例，也就是new的方式

– 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（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）

– 初始化某个类的子类，则其父类也会被初始化

– Java虚拟机启动时被标明为启动类的类（Java Test），直接使用java.exe命令来运行某个主类

 

结束生命周期

•在如下几种情况下，Java虚拟机将结束生命周期

– 执行了System.exit()方法

– 程序正常执行结束

– 程序在执行过程中遇到了异常或错误而异常终止

– 由于操作系统出现错误而导致Java虚拟机进程终止

 

3 类加载器

 

类加载器双亲委派模型

注意：这里父类加载器并不是通过继承关系来实现的，而是采用组合实现的。

 

 

启动类加载器：Bootstrap ClassLoader，负责加载存放在JDK\\jre\\lib(JDK代表JDK的安装目录，下同)下，或被-Xbootclasspath参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如rt.jar，所有的java.*开头的类均被Bootstrap ClassLoader加载）。启动类加载器是无法被Java程序直接引用的。

扩展类加载器：Extension ClassLoader，该加载器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，它负责加载DK\\jre\\lib\\ext目录中，或者由java.ext.dirs系统变量指定的路径中的所有类库（如javax.*开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。

应用程序类加载器：Application ClassLoader，该类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

应用程序都是由这三种类加载器互相配合进行加载的，如果有必要，我们还可以加入自定义的类加载器。因为JVM自带的ClassLoader只是懂得从本地文件系统加载标准的java class文件，因此如果编写了自己的ClassLoader，便可以做到如下几点：

1）在执行非置信代码之前，自动验证数字签名。

2）动态地创建符合用户特定需要的定制化构建类。

3）从特定的场所取得java class，例如数据库中和网络中。

 

 

JVM类加载机制

•全盘负责，当一个类加载器负责加载某个Class时，该Class所依赖的和引用的其他Class也将由该类加载器负责载入，除非显示使用另外一个类加载器来载入

•父类委托，先让父类加载器试图加载该类，只有在父类加载器无法加载该类时才尝试从自己的类路径中加载该类

•缓存机制，缓存机制将会保证所有加载过的Class都会被缓存，当程序中需要使用某个Class时，类加载器先从缓存区寻找该Class，只有缓存区不存在，系统才会读取该类对应的二进制数据，并将其转换成Class对象，存入缓存区。这就是为什么修改了Class后，必须重启JVM，程序的修改才会生效

 

4 类的加载

类加载有三种方式：

1、Dog dog ＝ new Dog（）； 

由new 关键字创建一个类的实例。
这个动作会导致常量池的解析，Dog类被隐式装载。 
如果当前ClassLoader无法找到Dog，则抛出NoClassDefFoundError。 

2、Class clazz ＝ Class.forName（“Dog”）； 
   Object dog ＝clazz.newInstance（）； 
通过反射加载类型，并创建对象实例 
如果无法找到Dog，则抛出ClassNotFoundException。 

3、Class clazz ＝ classLoader.loadClass（“Dog”）； 
   Object dog ＝clazz.newInstance（）； 
通过反射加载类型，并创建对象实例 
如果无法找到Dog，则抛出ClassNotFoundException。 

（获取当前线程的ClassLoader :  Thread.currentThread().getContextClassLader()）

那么，1和2和3究竟有什么区别呢？分别用于什么情况呢？ 

1和2使用的类加载器是相同的，都是当前类加载器。（即：this.getClass.getClassLoader）。 
3由用户指定类加载器。 

如果需要在当前类路径以外寻找类，则只能采用第3种方式。第3种方式加载的类与当前类分属不同的命名空间。 
当前类加载器命名空间对其不可见。当然，如果被加载类的超类对于当前类命名空间可见的话，则可以进行强制转型。 

第1和第2种情况区别不大。如果，Dog类在编译时无法得到，则使用第2种方式。 

另外，第1种和第2种都会导致类被初始化，即：执行类的静态初始化语句，而第3种情况不会。 
另外注意，第1种抛出Error，第2、3种抛出Exception，它们分属于不同的异常/错误分支。 

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对象实例化方式： 
1、new Dog（）； 
2、clazz.newInstance（）；或者clazz.getConstructor（...）.newInstance（...）； 
3、Object.clone（）；//通过本地方法进行复制 
4、反序列化  

例子：

package test4;


public class Main {
    public static void main(String[] args)throws ClassNotFoundException {
        ClassLoader loader = Main.class.getClassLoader(); 
        System.out.println(loader); 
        
        //使用ClassLoader.loadClass()来加载类，不会执行初始化块 
       // loader.loadClass("test4.Test2"); 
        
        //使用Class.forName()来加载类，默认会执行初始化块 
       //Class.forName("test4.Test2"); 
        
        //使用Class.forName()来加载类，并指定ClassLoader，初始化时不执行静态块 
        Class.forName("test4.Test2", false, loader); 
    }
}

 class Test2 { 
    static { 
            System.out.println("静态初始化块执行了！"); 
    } 
}

Class.forName()和ClassLoader.loadClass()区别

Class.forName()：将类的.class文件加载到jvm中之外，还会对类进行解释，执行类中的static块；

ClassLoader.loadClass()：只干一件事情，就是将.class文件加载到jvm中，不会执行static中的内容,只有在newInstance才会去执行static块。

注：

Class.forName(name, initialize, loader)带参函数也可控制是否加载static块。并且只有调用了newInstance()方法采用调用构造函数，创建类的对象 。

 

5 双亲委派模型

双亲委派模型的工作流程是：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把请求委托给父加载器去完成，依次向上，因此，所有的类加载请求最终都应该被传递到顶层的启动类加载器中，只有当父加载器在它的搜索范围中没有找到所需的类时，即无法完成该加载，子加载器才会尝试自己去加载该类，否则，子类不会去加载。

 能够很好的统一管理类加载，首先交给上级，如果上级有了，就加载，这样如果之前已经加载过的类，这时候在来加载它的时候只要拿过来用就可以了，无需二次加载了

 

委托机制的意义 — 防止内存中出现多份同样的字节码 

比如两个类A和类B都要加载System类：

如果不用委托而是自己加载自己的，那么类A就会加载一份System字节码，然后类B又会加载一份System字节码，这样内存中就出现了两份System字节码。

如果使用委托机制，会递归的向父类查找，也就是首选用Bootstrap尝试加载，如果找不到再向下。这里的System就能在Bootstrap中找到然后加载，如果此时类B也要加载System，也从Bootstrap开始，此时Bootstrap发现已经加载过了System那么直接返回内存中的System即可而不需要重新加载，这样内存中就只有一份System的字节码了。

 

问 ： 能不能自己写个类叫java.lang.System？

答案：通常不可以，但可以采取另类方法达到这个需求。 

解释：为了不让我们写System类，类加载采用委托机制，这样可以保证父加载器优先，父加载器能找到的类，子加载器就没有机会加载。而System类是Bootstrap加载器加载的，就算自己重写，也总是使用Java系统提供的System，自己写的System类根本没有机会得到加载。

但是，我们可以自己定义一个类加载器来达到这个目的，为了避免双亲委托机制，这个类加载器也必须是特殊的。由于系统自带的三个类加载器都加载特定目录下的类，如果我们自己的类加载器放在一个特殊的目录，那么系统的加载器就无法加载，也就是最终还是由我们自己的加载器加载。

 

1、当AppClassLoader加载一个class时，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器ExtClassLoader去完成。

2、当ExtClassLoader加载一个class时，它首先也不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给BootStrapClassLoader去完成。

3、如果BootStrapClassLoader加载失败（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到该class），会使用ExtClassLoader来尝试加载；

4、若ExtClassLoader也加载失败，则会使用AppClassLoader来加载，如果AppClassLoader也加载失败，则会报出异常ClassNotFoundException。

 

ClassLoader源码分析public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException {

return loadClass(name, false);
    }
    
    protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException {
            // 首先判断该类型是否已经被加载
            Class c = findLoadedClass(name);
            if (c == null) {
                //如果没有被加载，就委托给父类加载或者委派给启动类加载器加载
                try {
                    if (parent != null) {
                         //如果存在父类加载器，就委派给父类加载器加载
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                    //如果不存在父类加载器，就检查是否是由启动类加载器加载的类，通过调用本地方法native Class findBootstrapClass(String name)
                        c = findBootstrapClassOrNull(name);
                    }
                } catch (ClassNotFoundException e) {
                 // 如果父类加载器无法完成加载请求
                   
                }
　　　　　　　　　　if（c == null) {
 　　　　　　　　　　// 在父类加载器无法加载的时候 再调用自身的findClass方法来进行加载

　　　　　　　　　　　　 c = findClass(name);

            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }

6 打破双亲委派模型

如上，类加载器，具体来说在方法 loadClass(String,boolean)中

注释和代码都很清楚
1.寻找已加载的类
2.若没有找到，则去parent中找
3.调用findClass方法
4.要是还没有则抛出异常
所以可以这么做：
1.在构造类加载器时将parent设为null(构造函数参数为null即可)
2.重写loadClass(String,boolean)方法，改变类的查找机制。