JVM（二）内存与垃圾回收|类加载子系统

在JVM概述中我们已经了解了JVM体系结构，下文将深入介绍JVM体系结构之一的类加载子系统。

目录
 1 类加载子系统作用
 2 类加载器 ClassLoader角色
 3 类加载过程
 4 类加载器分类
  4.1 ClassLoader的常用方法及获取方法
  4.2虚拟机自带的加载器
  4.3用户自定义类加载器
 5 双亲委派机制
  5.1 工作原理
  5.2 沙箱安全机制
  5.3 双亲委派机制的优势
 6 类的主动使用和被动使用

1 类加载子系统作用

类加载子系统

• 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 Engine决定
• 加载的类信息存放于一块成为方法区的内存空间。除了类信息之外，方法区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）

2 类加载器 ClassLoader角色

类加载器 ClassLoader角色

• class file存在本地磁盘上，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时是要加载到JVM中来，根据这个文件实例出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（ClassLoader），扮演快递员的角色。

3 类加载过程

类加载过程
①加载

• 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；
• 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(java的class文件都是以CAFEBABE开头)，源数据验证，字节码验证，符号引用验证。

③准备

• 为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值；例如：

  
  

• 这里不包含用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；

• 不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法去中，而实例变量是会随着对象一起分配到java堆中。

④解析

• 将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程。
• 事实上，解析操作网晚会伴随着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。符号应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。

⑤初始化

• 初始化阶段就是执行类构造器方法clinit的过程。

  
  

• clinit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。

  
  注：查看字节码工具-idea插件jclasslib

• 构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行

• clinit()不同于类的构造器。（关联：构造器是虚拟机视角下的init()）

• 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

  
  

• 虚拟机必须保证一个类的clinit()方法在多线程下被同步加锁,保证类只加载一次。

4 类加载器分类

• JVM支持两种类型的加载器，分别为引导类加载器（BootStrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）
• java虚拟机规范义，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。
  

4.1 ClassLoader的常用方法及获取方法

在了解JVM分类之前，先来了解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）

方法名称	描述
getParent（）	返回该类加载器的超类加载器
loadClass（String name）	加载名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
findClass（String name）	查找名称为name的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
findLoadedClass（String name）	查找名称为name的已经被加载过的类，返回结果为java.lang.Class类的实例
defineClass（String name，byte[] b,int off,int len）	把字节数组b中的内容转换为一个Java类 ，返回结果为java.lang.Class类的实例
resolveClass（Class<?> c）	连接指定的一个java类

• 获取ClassLoader的途径

①获取当前类的ClassLoader

ClassLoader classLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
System.out.println(classLoader); //null

②获取当前线程上下文的ClassLoader

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

③获取系统的ClassLoader

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

④获取调用者的ClassLoader

• 拓展类加载器和系统类加载器间接继承于ClassLoader抽象类

  
  

4.2虚拟机自带的加载器

①启动类加载器（引导类加载器，BootStrap ClassLoader）

• 这个类加载使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部

  
  

• 它用来加载java的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar/resources.jar或sun.boot.class.path路径下的内容），用于提供JVM自身需要的类

  
  

• 不继承自java.lang.ClassLoader,没有父加载器

• 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

• 处于安全考虑，BootStrap启动类加载器只加载包名为java、javax、sun等开头的类

②拓展类加载器（Extension ClassLoader）

• java语言编写 ，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。

• 派生于ClassLoader类

• 父类加载器为启动类加载器

  
  

• 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，也会由拓展类加载器自动加载

  
  

③应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

• java语言编写， 由sun.misc.Launcher$AppClassLoader实现。

• 派生于ClassLoader类

• 父类加载器为拓展类加载器

  
  

• 它负责加载环境变量classpath或系统属性 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

上文中提及的父子加载器并非简单的继承关系而是双亲委派模式，下文第五节将详细说明此内容。

4.3用户自定义类加载器

①为什么要自定义类加载器
隔离加载类
修改类加载的方式
拓展加载源
防止源码泄漏
②自定义类加载器的实现
参考https://segmentfault.com/a/1190000012925715

5 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的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。

5.1 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器任务就成功返回，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。

  
  双亲委派机制流程

思考：能不能自己写个java.lang.String类？
如下，我们自己定义一个java.lang.String类。由于双亲委派机制，启动加载器会加载java核心类库的String类（BootStrap启动类加载器加载包名以java、javax、sun等开头的类），而自己写的String类根本没有机会得到加载。

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

什么地方违反了双亲委派模型

5.2 沙箱安全机制

自定义String类，在加载自定义String类的时会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载过程中会先加载jdk自带的文件（rt.jar包中的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

在jvm中表示两个class对象是否为同一个类存在的两个必要条件:

• 类的完整类名必须一致，包括包名
• 加载这个类的ClassLoader（指ClassLoader实例对象）必须相同
  换句话说，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，但只要加载它们的ClassLoader实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的.

5.3 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

  
  

6 类的主动使用和被动使用

①JVM必须知道一个类型是有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会议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。

②java程序对类的使用方式分为：主动使用和被动使用

主动使用，分为七种情况:

• 创建类的实例
• 访问某各类或接口的静态变量，或者对静态变量赋值
• 调用类的静态方法
• 反射，比如Class.forName(com.test.jvm.xxx)
• 初始化一个类的子类
• java虚拟机启动时被标明为启动类的类
• JDK 7 开始提供的动态语言支持：
• java.lang.invoke.MethodHandle实例的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化，则初始化。

除了以上七种情况，其他使用java类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化。