JVM之内存与垃圾回收——类加载子系统

类加载子系统 一、内存结构概述

要想实现一个Java虚拟机，最基本的是类加载器和执行引擎。

二、类加载器与类加载过程 类加载子系统的作用

类加载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（检验这个标识由链接阶段的验证阶段完成）。

类加载子系统只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由执行引擎决定。

类加载子系统加载完成之后，将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）

类加载器扮演的角色

如上图：

class file 存放于本地硬盘上，类加载器加载class file到JVM中，也就是上图的Car Class，被称为DNA元数据模板，放在方法区。类加载器就是扮演一个把在硬盘上的class file文件加载入JVM方法区中的搬运工的角色。

类加载过程

上面介绍了类加载的宏观过程，下面来看一下每一步分别做了些啥

类加载过程一：加载(Loading)

1. 通过一个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

类加载过程二：链接(linking)

加载完成之后，在内存中就已经有了该类的Class对象，接下来的工作就是链接

链接分为三步，验证(Verify)、准备(Prepare)和解析(Resolve)

1.验证

验证用于确保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以及不会危害虚拟机自身的安全。当验证阶段出问题时，会报Verify Error！

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。

2.准备

为类变量（static修饰）分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值。

这里不包括用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（非static修饰）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。

3.解析

将常量池中的符号引用转换成直接引用的过程

类加载过程三：初始化(Initialization)

初始化阶段就是执行类构造器方法< clinit>()的过程，此方法不需要定义，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。见下例：

在初始化阶段将private static int num = 1; 和 static{ num = 10; }合并，将num赋值为10。

构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行，也就是说代码块如果在类变量声明赋值之前，先执行代码块中对类变量的赋值，再执行声明类变量语句对类变量的赋值。见下图：

< clinit>()不同于类的构造器。（构造器是虚拟机视角下的< init>()），< clinit>()不是必须有的，但< init>()是必须有的，因为每个类都有自己的构造器。

若该类具有父类，JVM会保证子类的< clinit>()执行前，父类的< clinit>()已经执行完毕。如下例：

加载TestInitialzation02类，该类没有类成员的声明和静态代码块，所以直接执行main方法，main方法中引用了Son类，需要加载Son类，执行Son类的< clinit>()方法之前，会先执行Father类的< clinit>()。

虚拟机必须保证一个类的()方法在多线程下被同步加锁。如下例：

三、类加载器分类

常见的类加载器有三类：

• 引导类加载器：用C/C++语言编写，嵌套在JVM内部，用于加载Java核心类，加载扩展类加载器和系统类加载器
• 扩展类加载器：用Java语言编写，父类加载器为引导类加载器，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，也会由扩展类加载器加载。
• 系统类加载器：用Java语言编写，用于加载自定义类，父类加载器为扩展类加载器

用户自定义类加载器

在Java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？

• 隔离加载类
• 修改类加载的方式
• 扩展加载源
• 防止源码泄露

四、ClassLoader类 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类（不包含引导类加载器）

获取ClassLoader的方法

五、双亲委派机制 双亲委派机制工作原理

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引导类加载器。
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。

双亲委派机制举例如下：

双亲委派机制的优势

• 避免类的重复加载
• 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

六、其他

判断在JVM中的两个class对象是否为同一个类必须具备两个条件：

• 类名必须完全一致，包括包名。
• 加载这个类的ClassLoader实例（不是种类，是实例对象）必须是同一个。

对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由引导类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。

类的被动使用和主动使用 Java程序对类的使用方式分为：被动使用和主动使用

主动使用分为七种情况：创建类的实例；访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态赋值；调用类的静态方法；反射；初始化一个类的子类；Java虚拟机启动时被标为启动类的类（即含main方法的类）；JDK7开始提供的动态原因支持。

除了以上7种情况，其他使用Java类的方式都被看做是对类的被动使用。

主动使用与被动使用最大的区别在于：主动使用有 类的初始化，而被动使用不会导致类的初始化。