【JVM】01 类加载子系统

类加载子系统

一、JVM架构图
二、类加载器子系统
- 2.1 类加载子系统的任务
- 2.2 类加载过程的三个阶段
- - 2.2.1 加载
  - 2.2.2 链接
  - 2.2.3 初始化
  - - 2.2.3.1 clinit()的特点
    - 2.2.3.2 代码验证clinit的特点
三、类加载器分类
- 3.1.按照JVM规范分类
- 3.2 按照加载内容分类
- - 0）查看各种类加载器
  - 1）引导类加载器（Bootstrap Classloader）
  - 2）扩展类加载器（Extension ClassLoader）
  - 3）应用程序类加载器（Application Classloader）
  - 4）自定义类加载器
  - 5）查看类加载器能加载哪些类
- 3.3 ClassLoader的常用方法及获取方法
四、双亲委派机制
- 1.工作原理
- 2. 双亲委派机制代码示例
- - 举例1：
  - 举例 2 ：
  - 举例 3 ：
- 3. 双亲委派机制在SPI中的应用
- 4.双亲委派机制优势
- 5.沙箱安全机制
- 6.JVM内存中Class对象唯一性确定
五、类的主动使用和被动使用
- 什么时候进行初始化？【主动引用】
- 什么时候不进行初始化？【被动引用】

一、JVM架构图

Java源代码–>编译–>class文件—>类加载子系统—>运行时数据区—>执行引擎
本文内容对应JVM架构图中Class Loader System

二、类加载器子系统

2.1 类加载子系统的任务

任务：负责加载.class文件，最终将加载的类信息存放在方法区中；

除了类信息，方法区中还会存放运行时常量池信息，这部分常量信息是.class文件中常量池部分的内存映射

举例：

Car.class经过类加载的完整过程后，会在JVM方法区中形成一个Class，这个Class包含了Car这个类的所有信息；以后创建Car对象都是以这个Class为模板进行创建。

图中可以看到 实例对象 和 元数据模板 以及 类加载器 三者的关系：
(1)对象.getClass()获取Class对象,也就是元数据模板
(2)Class对象可以获取类加载器
(3)Class对象实例化 就是一个对象

2.2 类加载过程的三个阶段

加载阶段
链接阶段：验证->准备->解析
初始化阶段

可以这么理解：

加载阶段负责将.class文件加载到JVM内存中，相当于对图纸上的车进行建模，构造出一个模型；
连接和初始化阶段相当于对车一些类属性初始化，比如安上车窗，涂上底漆；
构造实例的时候，需要根据再对实例属性初始化，比如上色、定制化等；

2.2.1 加载

1.加载的工作内容

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流；
将这个二进制字节流所代表的的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构；
加载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

2.类加载器（ClassLoader）的职责

加载工作由类加载器来做
类加载器只负责加载class文件，不负责运行，是否可以运行由执行引擎决定

3.类加载器（ClassLoader）的角色扮演

class file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。
class file加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法区。
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（类装载器Class Loader），扮演一个快递员的角色。

4.class文件的获取方式

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

2.2.2 链接

链接分为三个子阶段：验证 --> 准备 --> 解析

1.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。
主要包括四种验证，文件格式验证，源数据验证，字节码验证，符号引用验证。

比如：使用 BinaryViewer 查看字节码文件，其开头均为 CAFE BABE ，如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过

2.准备
准备阶段针对类变量做初始化工作

为static非final的类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值；
对于final staic的类变量，因为final在编译的时候就会分配内存了，准备阶段会显式初始化；
准备阶段并不会为实例变量分配内存和初始化，类变量的内存是分配在方法区中，而实例变量是随着对象一起分配到java堆中

public static int value1= 123;
public static final int value2 = 123;
value1在准备阶段过后值为0
value2在准备阶段过后会被显示初始化为123

3.解析

解析阶段针对常量池中的符号引用

解析的目的：将常量池内的符号引用转换为直接引用。
事实上，解析操作往往伴随着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。

反编译 class 文件后可以查看常量池中的符号引用：

2.2.3 初始化

初始化阶段就是执行类构造器方法clinit()的过程。

2.2.3.1 clinit()的特点

特点1：此类构造器方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的显示赋值和静态代码块中的语句合并而来
特点2：编译器收集的顺序是由语句在java原文件中出现的顺序决定
特点3：静态代码块只能访问到定义在静态代码块之前的变量，定义在其后面的变量，在静态代码块中可以赋值，但是不能访问
特点4：()方法对于接口和类来说不是必须的，如果类中没有静态属性和静态代码块，那么字节码文件中就不会有clinit方法
特点5：父类初始化于子类初始化之前，即父类()在子类()之前执行。
特点6：虚拟机必须保证一个类的clinit()方法在多线程下被同步加锁。即clinit()方法只会被执行一次

2.2.3.2 代码验证clinit的特点

（Ps:字节码查看插件JclassIDEA插件）

特点1：此类构造器方法不需要定义，是javac编译器自动收集类中的所有类变量的显示赋值和静态代码块中的语句合并而来
特点2：编译器收集的顺序是由语句在java原文件中出现的顺序决定

1.代码中没有定义clinit()方法，字节码文件中会有，验证了这是编译器经过信息收集后生成的
2.可以看出静态变量num的初始化有两次，一次是显示赋值，一次是静态代码块赋值，二者按照代码中出现顺序出现在字节码文件中

特点3：静态代码块只能访问到定义在静态代码块之前的变量，定义在其后面的变量，在静态代码块中可以赋值，但是不能访问

可以赋值

静态变量 number 的值变化过程如下
- 准备阶段时：0
- 执行静态代码块：20
- 执行静态变量初始化：10

不可以访问

解释：之所以静态代码块可以直接赋值，因为静态变量在准备阶段就已经赋予默认值了，而静态代码块中的内容是类加载中的初始化阶段，会按照其赋值顺序进行赋值。由于后面还有赋值语句，因此静态代码块中此时访问的话也是无效的值，所以不允许前向引用

特点4：()方法对于接口和类来说不是必须的，如果类中没有静态属性和静态代码块，那么字节码文件中就不会有clinit方法

现象解释：

()与()方法不同，()不需要显式的调用父类构造器。而()是对构造器方法的封装，一个构造器对应一个()方法，该方法只有在调用构造器创建对象的时候使用。
而每个类中，至少有一个构造器，因此每个类都会有()方法。

特点5：父类初始化于子类初始化之前，即父类()在子类()之前执行。
jvm会保证子类的()执行前，父类的()已经执行完毕，因此可以推断出第一个被执行的()一定是java.lang.Object

父类一定在子类前初始化
父类的静态代码块、静态变量的赋值语句一定在子类的静态代码块、静态变量的赋值语句前执行。

特点6：虚拟机必须保证一个类的clinit()方法在多线程下被同步加锁。
即一个类只需被clinit一次，之后该类的内部信息就被存储在方法区。

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

        Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(r, "线程2");

        t1.start();
        t2.start();
    }
}

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

            }
        }
    }
}

程序卡死，分析原因：

两个线程同时去加载 DeadThread 类，而 DeadThread 类中静态代码块中有一处死循环
先加载 DeadThread 类的线程抢到了同步锁，然后在类的静态代码块中执行死循环，而另一个线程在等待同步锁的释放
所以无论哪个线程先执行 DeadThread 类的加载，另外一个类也不会继续执行

三、类加载器分类 3.1.按照JVM规范分类

JVM规范只定义了两类ClassLoader：

引导类加载器(BootStrap ClassLoader) ，由C/C++实现
自定义类加载器，由Java实现

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

除了Bootstrap Class Loader是C/C++实现的，因此不派生于抽象类ClassLoader，属于引导类加载器；Extension和System Class Loader都是派生于ClassLoader，都是自定义类加载器。
这里的四者之间是包含关系，不是上层和下层，也不是子父类的继承关系

3.2 按照加载内容分类 0）查看各种类加载器

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {

        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

        //获取其上层：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1540e19d

        //获取其上层：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null

        //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。
        ClassLoader classLoader1 = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//null

    }
}

1）引导类加载器（Bootstrap Classloader）

又称为根类加载器
使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部
并不继承自java.lang.ClassLoder，没有父加载器，所以通过Java代码获取引导类加载器对象将会得到null
负责加载Java的核心库(JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar等或sun.boot.class.path路径下的内容)，用于提供JVM自身需要的类
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
还可以加载自定义类加载器，加载拓展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父加载器，即ClassLoader

@Test
public void test01(){
    // 普通类的类加载器
    Class clazz = _01_.class;
    ClassLoader loader = clazz.getClassLoader();
    System.out.println(loader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

    // 通过rt.jar包下的类来获取其类加载器
    Class stringClass = String.class;
    ClassLoader classLoader = stringClass.getClassLoader();
    System.out.println(classLoader);//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，也会自动由扩展类加载器加载

3）应用程序类加载器（Application Classloader）

java语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。
派生于java.lang.ClassLoader类
它负责加载环境变量classpath或系统属性 java.class.path下的类库
classPath= 项目路径bin文件夹或者配置了的环境变量classPath
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
通过ClassLoader.getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器，所以也叫作系统类加载器

4）自定义类加载器

为什么需要自定义类加载器？

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。那为什么还需要自定义类加载器？

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

如何自定义类加载器？

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URIClassLoader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。

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
    @Override
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {

        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (FileNotFoundException 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。
        return null;
    }

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

5）查看类加载器能加载哪些类

public class ClassLoaderTest1 {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("********启动类加载器*********");
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        //获取BootStrapClassLoader能够加载的api路径
        for (URL e:urls){
            System.out.println(e.toExternalForm());
        }

        //从上面的路径中随意选择一个类 看看他的类加载器是什么
        //Provider位于 /jdk1.8.0_171.jdk/Contents/Home/jre/lib/jsse.jar 下，引导类加载器加载它
        ClassLoader classLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//null

        System.out.println("********拓展类加载器********");
        String extDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String path : extDirs.split(";")){
            System.out.println(path);
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类 看看他的类加载器是什么:拓展类加载器
        ClassLoader classLoader1 = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader1);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4dc63996
    }
}

**********启动类加载器**************
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_144/jre/classes
null
***********扩展类加载器*************
C:Program FilesJavajdk1.8.0_144jrelibext
C:WINDOWSSunJavalibext
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@7ea987ac
1234567891011121314

3.3 ClassLoader的常用方法及获取方法

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）

public class ClassLoaderTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            
            //1.Class.forName().getClassLoader()
            ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(classLoader); // String 类由启动类加载器加载，我们无法获取

            //2.Thread.currentThread().getContextClassLoader()
            ClassLoader classLoader1 = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(classLoader1);

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

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

// 输出
null
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2

四、双亲委派机制

1.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她的class文件加载到内存生成的class对象。
2.JVM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

1.工作原理

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；
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；
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。
父类加载器一层一层往下分配任务，如果子类加载器能加载，则加载此类，如果将加载任务分配至系统类加载器也无法加载此类，则抛出异常

买了个苹果，问妈妈吃不吃，妈妈问奶奶吃不吃，奶奶说太硬了吃不动，交给妈妈吃，妈妈说太酸了，交给自己吃。

2. 双亲委派机制代码示例举例1：

我们自己建立一个 java.lang.String 类，写上 static 代码块

package java.lang;

public class String {
    static{
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
}

在另外的程序中加载 String 类，看看加载的 String 类是 JDK 自带的 String 类，还是我们自己编写的 String 类

public class StringTest {

    public static void main(String[] args) {
        java.lang.String str = new java.lang.String();
        System.out.println("hello,atguigu.com");

        StringTest test = new StringTest();
        System.out.println(test.getClass().getClassLoader());
    }
}

程序并没有输出我们静态代码块中的内容，可见仍然加载的是 JDK 自带的 String 类

举例 2 ：

代码：在我们自己的 String 类中整个 main() 方法

package java.lang;

public class String {
    static{
        System.out.println("我是自定义的String类的静态代码块");
    }
    //错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello,String");
    }
}

由于双亲委派机制找到的是 JDK 自带的 String 类，在那个 String 类中并没有 main() 方法

举例 3 ：

代码：在 java.lang 包下整个 ShkStart 类

package java.lang;

public class ShkStart {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello!");
    }
}

出于保护机制，java.lang 包下不允许我们自定义类

3. 双亲委派机制在SPI中的应用

某个应用程序由双亲委派机制找到引导类加载器，首先调用rt.jar包中的SPI核心
由于SPI核心当中有各种各样的接口需要被实现（这里指具体的服务提供商），这里我们以JDBC.jar为例，jdbc.jar可以为我们提供具体的实现。那么这时我们需要反向委托，找到线程上下文类加载器去加载jdbc.ja(线程上下文类加载器属于系统类加载器)

4.双亲委派机制优势

通过上面的例子，我们可以知道，双亲机制可以

避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心API被随意篡改
自定义类：java.lang.String 没有屌用
自定义类：java.lang.ShkStart（报错：阻止创建 java.lang开头的类）

5.沙箱安全机制

自定义String类时：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。

6.JVM内存中Class对象唯一性确定

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.类的完整名必须一致，包括包名
2.加载这个类的ClassLoader（ClassLoader实例对象）必须相同

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，但是只要加载他们的CLassLoader对象不同，这两个类对象也是不相等的。

Class对象对类加载器的引用

JVM必须知道一个类型是由启动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需要保证两个类型的加载器是相同的。（动态链接中会再次说明）

五、类的主动使用和被动使用

概述
java程序对类的使用方式分为：主动使用和被动使用，二者的区别在于是否调用了()方法

主动使用会在类加载系统中的第三阶段initialization即初始化阶段调用了()方法。
被动使用不会去调用()方法

什么时候进行初始化？【主动引用】

总的来说，在遇到new、getstatic、putstatic、invokestatic这四个字节码指令时，如果类没有进行过初始化，那么就必须先触发其初始化。
也就是说在创建对象、设置静态属性、获取静态属性、调用静态方法的时候。
①　用new实例化对象的时候
②　用java.lang.reflect包的方法对类型进行反射调用的时候
③　访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值（注意：被final修饰的静态字段在编译期间就把值放进了常量池，此时不会触发）
④　初始化类的时候，发现父类还没有初始化，会触发父类的初始化
⑤　main方法所在的类，在jvm启动的时候会先初始化这个类
⑥　拥有default方法的接口，其实现类要初始化，会先初始化这个接口。

什么时候不进行初始化？【被动引用】

通过子类调用父类的父类的静态字段，不会导致子类初始化。
创建元素为该类类型A元素的数组的时候，只会触发A[]类型的初始化，而不会触发A类型的初始化。
调用该类的final static属性时，不会触发此类的初始化。
Final static的属性，在声明的时候就赋值了
Static的属性和在静态代码块中赋值是一样的效果，在类初始化的时候触发赋值

【JVM】01 类加载子系统

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