类加载子系统

类加载器子系统

类加载器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）。

Java中类的加载过程

例如下面的一段简单的代码：

public class HelloWorld {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("我已经被加载啦");
    }
}

它的加载过程是怎么样的呢?

完整的流程如下图所示：

加载阶段

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静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构
在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为这个类的各种数据的访问入口

加载class文件的方式

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

链接阶段

验证 verify

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，元数据验证，字节码验证，符号引用验证。

通过工具Binary Viewer查看字节码

如果出现不合法的字节码文件，那么将会验证不通过！

准备 Prepare

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，null等。

public class HelloWorld {
    private static int a = 1;  // 准备阶段为0，在下个阶段，也就是初始化的时候才是1
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(a);
    }
}

上面的变量a在准备阶段会赋初始值，但不是1，而是0。
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。
这里不会为实例变量分配初始化，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。

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。

初始化阶段

初始化阶段就是执行类构造器方法的过程。此方法不需定义，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（也就是说，当我们代码中包含static变量的时候，就会有clinit方法）。构造器方法中指令按语句在源文件中出现的顺序执行。
类构造方法不同于类的构造器。如果没有static变量，则类构造方法（clinit）不会执行，而任何一个类在声明后，都有生成一个构造器，默认是空参构造器。执行类的构造器是执行init方法。

public class ClassInitTest {
    private static int num = 1;
    static {
        num = 2;
        number = 20;
        System.out.println(num);
        System.out.println(number);  //报错，非法的前向引用
    }

    private static int number = 10;

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num); // 2
        System.out.println(ClassInitTest.number); // 10
    }
}

关于涉及到父类时候的变量赋值过程

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。

public class ClinitTest1 {
    static class Father {
        public static int A = 1;
        static {
            A = 2;
        }
    }

    static class Son extends Father {
        public static int b = A;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Son.b);
    }
}

输出结果为 2，也就是说首先加载ClinitTest1的时候，会找到main方法，然后执行Son的初始化，但是Son继承了Father，因此还需要执行Father的初始化，同时将A赋值为2。我们通过反编译得到Father的加载过程，首先我们看到原来的值被赋值成1，然后又被复制成2，最后返回.

iconst_1
putstatic #2 <com/atguigu/java/chapter02/ClinitTest1$Father.A>
iconst_2
putstatic #2 <com/atguigu/java/chapter02/ClinitTest1$Father.A>
return

虚拟机必须保证一个类的初始化方法在多线程下被同步加锁。

public class DeadThreadTest {
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t1开始");
            new DeadThread();
        }, "t1").start();

        new Thread(() -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 线程t2开始");
            new DeadThread();
        }, "t2").start();
    }
}
class DeadThread {
    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "\t 初始化当前类");
            while(true) {

            }
        }
    }
}

上面的代码，输出结果为：

1
2
3

线程t1开始
线程t2开始
线程t2 初始化当前类

从上面可以看出初始化后，只能够执行一次初始化，这也就是同步加锁的过程。

类加载器的分类及关系

JVM支持两种类型的类加载器。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined
ClassLoader）。
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。

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有3个，如下图所示：

注：JDK1.9之后扩展类加载器ExtClassLoader变成PlatFromClassLoader平台加载器。这里的四者之间是包含关系，不是上层和下层，也不是子系统的继承关系。

我们通过一个类，获取它不同的加载器：

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);

        //获取其上层的:扩展类加载器
        ClassLoader classLoaderParent = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(classLoaderParent);
        
        //获取根加载器
        ClassLoader loaderParentParent = classLoaderParent.getParent();
        System.out.println(loaderParentParent);
        
        //获取自定义加载器
        ClassLoader loader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(loader);
        
        //获取String类型的加载器
        ClassLoader classLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);
    }
}

从结果可以看出根加载器无法直接通过代码获取，同时目前用户代码所使用的加载器为系统类加载器。同时我们通过获取String类型的加载器，发现是null，那么说明String类型是通过根加载器进行加载的，也就是说Java的核心类库都是使用根加载器进行加载的。

jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@2437c6dc
jdk.internal.loader.ClassLoaders$PlatformClassLoader@58ceff1
null
jdk.internal.loader.ClassLoaders$AppClassLoader@2437c6dc
null

注：这里的PlatformClassLoader可以看成是ExtClassLoader。

虚拟机自带的加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载器使用C/C++语言实现的，嵌套在JVM内部。
它用来加载Java的核心库（JAVAHOME/jre/1ib/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。
它并不继承自 java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
加载扩展类加载器和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器。
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，JDK1.8由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现，JDK1.9之后改成PlatFromClassLoader，由jdk.internal.loader.PlatformClassLoader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，也会自动由扩展类加载器加载。

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader)

java语言编写，由sun.misc.LaunchersAppClassLoader实现。
派生于ClassLoader类。
父类加载器为扩展类加载器。
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。

用户自定义类加载器

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。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
防止源码泄漏

用户自定义类加载器实现步骤：

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。
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。
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。

ClassLoader类

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）。

获取ClassLoader的途径：

获取当前ClassLoader：clazz.getClassLoader()
获取当前线程上下文的ClassLoader：Thread.currentThread().getContextClassLoader()
获取系统的ClassLoader：ClassLoader.getSystemClassLoader()
获取调用者的ClassLoader：DriverManager.getCallerClassLoader()

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

具体原理如下图

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。

沙箱安全机制

我们自定义一个String类，但是在加载自定义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中rt.jar包中java\lang\String.class，当执行String类中的main方法时，会报错说没有main方法，就是因为加载的是rt.jar包中的string核心类，该类没有main方法。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。

双亲委派机制的优势