JVM之类加载子系统

JVM之类加载器

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类加载子系统作用

• 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、
• ClassLoader只负责class文件的加载，至于它是否可以运行，则由Execution Egine（执行引擎）来决定。
• 加载的类信息存放于一块称为方法区的内存空间。除了类信息外，方法区还会存放运行时常量池信息，可能还包含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)

ClassLoad角色

• class file存在于本地硬盘中，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，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NDA元数据模板，放在方法区。
• 在·.class·文件 -> JVM -> 最终数据模板，这个过程就是ClassLoader要做的事情。

类的加载过程

加载（Loading）

• 1、通过一个类的全限定名获取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访问入口

链接(Linking)

验证(Verify)

• 目的在于确保class文件中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4中验证：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在编译的时候就已经分配了，准备阶段会显式初始化。
• 这里不会为实例变量分类初始化，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在执行完初始化后在执行。
• 符号引用就是一组符号来描述引用的目标。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，相对偏移量或者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。对常量池中的CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodef_info等

初始化(Initialization)

• 初始化阶段就是指向类构造器方法（）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的。
• 构造器方法中指令按照语句在源文件中出现的顺序执行。
• （）不同于类构造器(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。

类加载器分类

启动类加载器(引导类加载器 Bootstrap ClassLoader)

• 这个类加载器使用c/c++语言实现，嵌套在JVM内部。
• 它用来加载Java的核心库(JAVA_HOME/jar/lib/rt.jar、resources.jar、sun.boot.class.path路径下的内容)，用于提供JVM自身需要的类
• 并不继承自java.lang.classLoader，没有父加载器。
• 夹杂扩展类和应用程序类记载其，并指定为它们的父类加载器。
• 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

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
• 从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从JDK的安装包目录jar/lib/ext子目录下下载类库。如果用创建的JAR放在此目录下，也会自动有扩展类加载器加载。

应用程序加载器(系统类加载器 AppClassLoader)

• java 语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现
• 派生与ClassLoader类
• 它负责加载环境变量classpath或者系统属性java.class.path指定路径下的类库
• 该类加载器是程序中默认的加载器，一般来说，Java应用的类都是由它完成加载
• 通过ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取该类加载器。

查看类加载器可加载的路径

package top.mgy.classloader;

import java.net.URL;

import static sun.misc.Launcher.getBootstrapClasspath;

public class ClassLoaderTest {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("*****启动类加载器******");
        //获取BootstrapClassLoader能加载的类库路径
        URL[] urLs = getBootstrapClasspath().getURLs();
        for (URL url : urLs) {
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }

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

用户自定义类加载器

在Java的日常应用程序开发中，类加载器几乎由上述3中加载器相互配合执行的，在必要时，我们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
• 修改类的加载方式
• 扩展加载源
• 防止源码泄露

如何自定义类加载器？

获取ClassLoader几种途径

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、如果父类加载还存在父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终价格到达顶层的启动类加载器。
• 3、如果父类加载器可以完成加载任务，就成功返回，若父类加载器无法完成加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式。

双亲委派机制的优势

• 避免类被重复加载

• 保护程序安全，防止核心API被随意篡改

  自定义类java.lang.String

  自定义类java.lang.Haha

沙箱安全机制

自定义String类，在加载自定义String类的时候会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,报错信息说没有main方法就是因为加载的是rt.jar包中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。