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JVM 系列 - 類加載器機制#

內容整理自:

1. JVM 系列 (五) - JVM 類加載機制詳解
2. 深入理解 JVM 類加載機制

一、簡述#

虛擬機把描述類的數據從 class 文件加載到內存，並對數據進行校驗、轉換解析和初始化，最終形成可以被虛擬機直接使用的 Java 類型，這就是虛擬機的類加載機制

二、類的加載過程以及生命周期#

類加載的過程分為三個步驟 (五個階段) ：加載 -> 連接（驗證、準備、解析）-> 初始化

加載#

加載的過程描述：

• 通過類的全限定名定位.class 文件，並獲取其二進制字節流。
• 把字節流所代表的靜態存儲結構轉換為方法區的運行時數據結構。
• 在 Java 堆中生成一個此類的 java.lang.Class 對象，作為方法區中這些數據的訪問入口

連接#

連接：包括驗證、準備、解析三步

驗證#

驗證是連接階段的第一步，用於確保 Class 字節流中的信息是否符合虛擬機的要求

具體驗證形式

• 文件格式驗證：驗證字節流是否符合 Class 文件格式的規範；例如：是否以 0xCAFEBABE 開頭、主次版本號是否在當前虛擬機的處理範圍之內、常量池中的常量是否有不被支持的類型。
• 元數據驗證：對字節碼描述的信息進行語義分析（注意：對比 javac 編譯階段的語義分析），以保證其描述的信息符合 Java 語言規範的要求；例如：這個類是否有父類，除了 java.lang.Object 之外。
• 字節碼驗證：通過數據流和控制流分析，確定程序語義是合法的、符合邏輯的。
• 符號引用驗證：確保解析動作能正確執行

準備#

為類的靜態變量分配內存，並將其初始化為默認值。準備過程通常分配一個結構用來存儲類信息，這個結構中包含了類中定義的成員變量，方法和接口信息等

具體行為:

• 這時候進行內存分配的僅包括類變量(static)，而不包括實例變量，實例變量會在對象實例化時隨著對象一塊分配在 Java 堆中。
• 這裡所設置的初始值通常情況下是數據類型默認的零值（如 0、0L、null、false 等），而不是在 Java 代碼中被顯式賦值的 (被顯式賦值的常量例外)

解析#

解析：把類中對常量池內的符號引用轉換為直接引用

符號引用 (Symbolic References): 符號引用以一組符號來描述所引用的目標，符號可以是任何形式的字面量，只要可以唯一定位到目標即可。符號引用於內存佈局無關，所以所引用的對象不一定需要已經加載到內存中。各種虛擬機實現的內存佈局可以不同，但是接受的符號引用必須是一致的，因為符號引用的字面量形式已經明確定義在 Class 文件格式中

直接引用 (Direct References): 直接引用時直接指向目標的指針、相對偏移量或是一個能間接定位到目標的句柄。直接引用和虛擬機實現的內存佈局相關，同一個符號引用在不同虛擬機上翻譯出來的直接引用一般不會相同。如果有了直接引用，那麼它一定已經存在於內存中了

常量池中常量類型：

• 常量池中常量數量不固定，因此常量池開頭放置一個 u2 類型的無符號數，用來存儲當前常量池的容量。
• 常量池的每一項常量都是一個表，表開始的第一位是一個 u1 類型的標誌位（tag），代表當前這個常量屬於哪種常量類型

解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調用點限定符等 7 類符號引用進行

初始化#

初始化：對類靜態變量賦予正確的初始值

初始化的目標#

• 實現對聲明類靜態變量時指定的初始值的初始化；
• 實現對使用靜態代碼塊設置的初始值的初始化。

初始化的步驟#

• 如果此類沒被加載、連接，則先加載、連接此類；
• 如果此類的直接父類還未被初始化，則先初始化其直接父類；
• 如果類中有初始化語句，則按照順序依次執行初始化語句。

初始化的時機#

其中情況 1 中的 4 條字節碼指令在 Java 裡最常見的場景是：

• new 一個對象時
• set 或者 get 一個類的靜態字段（除去那種被 final 修飾放入常量池的靜態字段）
• 調用一個類的靜態方法

Java 中父類和子類初始化順序#

1. 父類中靜態成員變量和靜態代碼塊
2. 子類中靜態成員變量和靜態代碼塊
3. 父類中普通成員變量和代碼塊，父類的構造函數
4. 子類中普通成員變量和代碼塊，子類的構造函數

類的主動引用與被動引用#

在 java 虛擬機規範中，嚴格規定了，只有對類進行主動引用，才會觸發其初始化方法。而除此之外的引用方式稱之為被動引用，不會觸發類的初始化方法

主動引用
主動引用：在類加載階段，只執行加載、連接操作，不執行初始化操作

被動引用
主動引用之外的引用情況都稱之為被動引用，這些引用不會進行初始化
被動引用的幾種形式：

1. 通過子類引用父類的靜態字段，不會導致子類初始化；
2. 定義類的數組引用而不賦值，不會觸發此類的初始化；
3. 訪問類定義的常量，不會觸發此類的初始化

三、三種類加載器#

• Bootstrap Classloader 是在 Java 虛擬機啟動後初始化的。
• Bootstrap Classloader 負責加載 ExtClassLoader，並且將 ExtClassLoader 的父加載器設置為 Bootstrap Classloader
• Bootstrap Classloader 加載完 ExtClassLoader 後，就會加載 AppClassLoader，並且將 AppClassLoader 的父加載器指定為 ExtClassLoader

Bootstrap ClassLoader#

啟動類加載器：負責加載存放在 JDK\jre\lib (JDK 代表 JDK 的安裝目錄，下同) 下，或被 - Xbootclasspath 參數指定的路徑中的，並且能被虛擬機識別的類庫（如 rt.jar，所有的 java. 開頭的類均被 Bootstrap ClassLoader 加載）。啟動類加載器是無法被 Java 程序直接引用的。

Extension ClassLoader#

擴展類加載器：該加載器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 實現，它負責加載 JDK\jre\lib\ext 目錄中，或者由 java.ext.dirs 系統變量指定的路徑中的所有類庫（如 javax. 開頭的類），開發者可以直接使用擴展類加載器。

Application ClassLoader#

應用程序類加載器：該類加載器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 來實現，它負責加載用戶類路徑（程序自己 classpath 下的類）所指定的類，開發者可以直接使用該類加載器，如果應用程序中沒有自定義過自己的類加載器，一般情況下這個就是程序中默認的類加載器。

類加載器的隔離問題#

每個類裝載器都有一個自己的命名空間用來保存已裝載的類。當一個類裝載器裝載一個類時，它會通過保存在命名空間裡的類全局限定名 (Fully Qualified Class Name) 進行搜索來檢測這個類是否已經被加載了。

JVM 及 Dalvik 對類唯一的識別是 ClassLoader id + PackageName + ClassName，所以一個運行程序中是有可能存在兩個包名和類名完全一致的類的。並且如果這兩個類不是由一個 ClassLoader 加載，是無法將一個類的實例強轉為另外一個類的，這就是 ClassLoader 隔離性。

為了解決類加載器的隔離問題，JVM 引入了雙親委託機制

四、雙親委託模型#

核心思想：其一，自底向上檢查類是否已加載；其二，自頂向下嘗試加載類

雙親委派模型的工作流程是：如果一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把請求委託給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類加載請求最終都應該被傳遞到頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器在它的搜索範圍中沒有找到所需的類時，即無法完成該加載，子加載器才會嘗試自己去加載該類

具體加載過程#

• 當 AppClassLoader 加載一個 class 時，它首先不會自己去嘗試加載這個類，而是把類加載請求委派給父類加載器 ExtClassLoader 去完成。
• 當 ExtClassLoader 加載一個 class 時，它首先也不會自己去嘗試加載這個類，而是把類加載請求委派給 BootStrapClassLoader 去完成。
• 如果 BootStrapClassLoader 加載失敗（例如在 % JAVA_HOME%/jre/lib 裡未查找到該 class），會使用 ExtClassLoader 來嘗試加載；
• 如果 ExtClassLoader 也加載失敗，則會使用 AppClassLoader 來加載，如果 AppClassLoader 也加載失敗，則會報出異常 ClassNotFoundException

雙親委派模型意義#

• 系統類防止內存中出現多份同樣的字節碼，使得類有了層次的劃分
• 保證 Java 程序安全穩定運行

就拿java.lang.Object來說，你加載它經過一層層委托最終是由 Bootstrap ClassLoader 來加載的，也就是最終都是由 Bootstrap ClassLoader 去找 <JAVA_HOME>\lib 中rt.jar裡面的 java.lang.Object 加載到 JVM 中，這樣如果有不法分子自己造了個 java.lang.Object，裡面嵌了不好的代碼，但是如果按照雙親委派模型來實現類加載的話，最終加載到 JVM 中的只會是我們 rt.jar 裡面的東西，也就是這些核心的基礎類代碼得到了保護

拓展
為什麼說 java spi 破壞雙親委派模型？

五、類的加載方式#

• 命令行啟動應用時由 JVM 初始化加載
• 通過 Class.forName () 方法動態加載
• 通過 ClassLoader.loadClass () 方法動態加載

Class.forName () 和 ClassLoader.loadClass ()

• Class.forName ()：把類的.class 文件加載到 JVM 中，對類進行解釋的同時執行類中的 static 靜態代碼塊；
• ClassLoader.loadClass ()：只是把.class 文件加載到 JVM 中，不會執行 static 代碼塊中的內容，只有在 newInstance 才會去執行

六、自定義加載器#

應用程序都是由這三種類加載器互相配合進行加載的，如果有必要，我們還可以加入自定義的類加載器。因為 JVM 自帶的 ClassLoader 只是懂得從本地文件系統加載標準的 java class 文件，因此如果編寫了自己的 ClassLoader，便可以做到如下幾點：

• 在執行非信任代碼之前，自動驗證數字簽名。
• 動態地創建符合用戶特定需要的定制化構建類。
• 從特定的場所取得 java class，例如數據庫中和網絡中