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类加载器

一、类加载

JVM将 class字节码 文件加载到内存中，并将这些静态数据转换成 方法区 中的运行时数据结构，在堆中 生成一个代表这个类的java.lang.Class 对象 ，作为方法区类数据的访问入口。

二、类加载过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括： 加载、链接( 验证、准备、解析 )、初始化、使用 和卸载七个阶段。它们开始的顺序如下图所示：

类加载器

1、加载

加载指的是将类的class文件读入到内存，并为之创建一个java.lang.Class对象，也就是说，当程序中使用任何类时，系统都会为之建立一个java.lang.Class对象。

类的加载由类加载器完成，类加载器通常由JVM提供，这些类加载器也是前面所有程序运行的基础，JVM提供的这些类加载器通常被称为系统类加载器。除此之外，开发者可以通过继承ClassLoader基类来创建自己的类加载器。

通过使用不同的类加载器，可以从不同来源加载类的二进制数据，通常有如下几种来源：

①从本地文件系统加载class文件，这是前面绝大部分示例程序的类加载方式。

②从JAR包加载class文件，这种方式也是很常见的，前面介绍JDBC编程时用到的数据库驱动类就放在JAR文件中，JVM可以从JAR文件中直接加载该class文件。

③通过网络加载class文件。

④把一个Java源文件动态编译，并执行加载。

类加载器通常无须等到“首次使用”该类时才加载该类，Java虚拟机规范允许系统预先加载某些类。

2、链接

当类被加载之后，系统为之生成一个对应的Class对象，接着将会进入连接阶段，连接阶段负责把类的二进制数据合并到JRE中。类连接又可分为如下3个阶段。

2.1 验证

验证阶段用于检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致。Java是相对C++语言是安全的语言，例如它有C++不具有的数组越界的检查。这本身就是对自身安全的一种保护。验证阶段是Java非常重要的一个阶段，它会直接的保证应用是否会被恶意入侵的一道重要的防线，越是严谨的验证机制越安全。验证的目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身安全。

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

四种验证做进一步说明：

文件格式验证 ：主要验证字节流是否符合Class文件格式规范，并且能被当前的虚拟机加载处理。例如：主，次版本号是否在当前虚拟机处理的范围之内。常量池中是否有不被支持的常量类型。指向常量的中的索引值是否存在不存在的常量或不符合类型的常量。

元数据验证 ：对字节码描述的信息进行语义的分析，分析是否符合java的语言语法的规范。

字节码验证 ：最重要的验证环节，分析数据流和控制，确定语义是合法的，符合逻辑的。主要的针对元数据验证后对方法体的验证。保证类方法在运行时不会有危害出现。

符号引用验证 ：主要是针对符号引用转换为直接引用的时候，是会延伸到第三解析阶段，主要去确定访问类型等涉及到引用的情况，主要是要保证引用一定会被访问到，不会出现类等无法访问的问题。

2.2 准备

类准备阶段负责为类的静态变量分配内存，并设置默认初始值。

2.3 解析

将类的二进制数据中的符号引用替换成直接引用。说明一下：符号引用：符号引用是以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何的字面形式的字面量，只要不会出现冲突能够定位到就行。布局和内存无关。直接引用：是指向目标的指针，偏移量或者能够直接定位的句柄。该引用是和内存中的布局有关的，并且一定加载进来的。

3、初始化

初始化是为类的静态变量赋予正确的初始值，准备阶段和初始化阶段看似有点矛盾，其实是不矛盾的，如果类中有语句：private static int a = 10，它的执行过程是这样的，首先字节码文件被加载到内存后，先进行链接的验证这一步骤，验证通过后准备阶段，给a分配内存，因为变量a是static的，所以此时a等于int类型的默认初始值0，即a=0,然后到解析（后面在说），到初始化这一步骤时，才把a的真正的值10赋给a,此时a=10。

3.1发生时机

概括得说，类初始化是【懒惰的】

main 方法所在的类，总会被首先初始化
首次访问这个类的静态变量或静态方法时
子类初始化，如果父类还没初始化，会引发
子类访问父类的静态变量，只会触发父类的初始化
Class.forName new 会导致初始化

3.2不会导致类初始化的情况

访问类的 static ﬁnal 静态常量（基本类型和字符串）不会触发初始化
类对象.class 不会触发初始化
创建该类的数组不会触发初始化

三、类加载器

使用 C++ 实现，负责加载存放在 JDK/jre/lib (JDK 代表 JDK 的安装目录，下同)下，或被 -Xbootclasspath 参数指定的路径中的，并且能被虚拟机识别的类库（如 rt.jar，所有的 java.* 开头的类均被 Bootstrap ClassLoader 加载）。 启动类加载器是无法被 Java 程序直接引用的。

类加载器负责加载所有的类，其为所有被载入内存中的类生成一个java.lang.Class实例对象。一旦一个类被加载如JVM中，同一个类就不会被再次载入了。正如一个对象有一个唯一的标识一样，一个载入JVM的类也有一个唯一的标识。在Java中，一个类用其全限定类名（包括包名和类名）作为标识；但在JVM中，一个类用其全限定类名和其类加载器作为其唯一标识。例如，如果在pg的包中有一个名为Person的类，被类加载器ClassLoader的实例kl负责加载，则该Person类对应的Class对象在JVM中表示为(Person.pg.kl)。这意味着两个类加载器加载的同名类：（Person.pg.kl）和（Person.pg.kl2）是不同的、它们所加载的类也是完全不同、互不兼容的。

1、引导类加载器

负责加载JRE核心类库，jre包下rt.jar,charsets.jar等，C++语言编写，无法直接访问

package com.zn;

public class ClassTest {
    public static void main(String[] args) {
        //虚拟机内置的三个类加载器
        //1.根类加载器（没有父加载器）
        ClassLoader classLoader = Object.class.getClassLoader();
        System.out.println("[跟类加载器]object类 的类加载器是："+classLoader);
    }
}

控制台效果：

类加载器

2、扩展类加载器ExtClassLoader

负责加载JRE扩展目录ext中的jar包

package com.zn;

import sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService;

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

        //2.扩展类加载器(扩展类加载器的父加载器是跟类加载器)
        ClassLoader classLoader1 = DNSNameService.class.getClassLoader();
        System.out.println("[扩展类加载器]DNSNameService的类加载器是："+classLoader1);
    }
}

控制台效果：

3、系统类加载器AppClassLoader

负责加载classPath路径下的类包

package com.zn;

import sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService;

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

        //3.系统类加载器（系统类加载器的父加载器是扩展类加载器）
        //自己写的类默认走系统类加载器
        ClassLoader classLoader2 = ClassLoader1.class.getClassLoader();
        System.out.println("[系统类加载器]ClassLoader1的类加载器为："+classLoader2);
    }
}

控制台效果：

类加载器

4、自定义类记载器

用户可以自己定义类加载器来加载类。所有的类加载器都要继承 java.lang.ClassLoader 类并重写 findClass(String name) 方法。用户自定义类加载器默认父加载器是应用程序加载器

四、类加载机制

1、全盘负责委托机制

当进行类加载的时候，如果手动指定了ClassLoader，那么该类所依赖和引用的类也由这个类加载器进行加载

User->UserParent

指定User使用特定的类加载器，那么跟User类有依赖和引用关系的类也用这个类加载器进行加载

2、双亲委派机制

2.1 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，即先委托父类加载器寻找目标类，如果父类加载器无法进行类的加载则子类加载器自身处理

2.2 图解

类加载器

2.3 沙箱安全机制

自定义的String.class不会被加载，这样可以防止核心API库被随意篡改

package java.lang;

public class String {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("用户自定义的类");
    }
}

控制台效果：

类加载器

2.4 避免类重复加载

当附加在其加载了该类时，就没有必要子类加载器也进行加载

2.5 如何破坏双亲委派机制

①重写ClassLoad类中的loadClass方法,指定加载哪一个类

②手动调用系统类加载器Thread.currentThread().getContextClassLoader();

③重写findClass

五、监控类加载过程

在当前启动类当中加入-verbose:class参数，启动则可以看到整个类加载的过程

类加载器

代码展示：

package com.zn;

import sun.net.spi.nameservice.dns.DNSNameService;

public class ClassTest {
    public static void main(String[] args) {
        //虚拟机内置的三个类加载器
        //1.根类加载器（没有父加载器）
        ClassLoader classLoader = Object.class.getClassLoader();
        System.out.println("[跟类加载器]object类 的类加载器是："+classLoader);


        //2.扩展类加载器(扩展类加载器的父加载器是跟类加载器)
        ClassLoader classLoader1 = DNSNameService.class.getClassLoader();
        System.out.println("[扩展类加载器]DNSNameService的类加载器是："+classLoader1);


        //3.系统类加载器（系统类加载器的父加载器是扩展类加载器）
        //自己写的类默认走系统类加载器
        ClassLoader classLoader2 = ClassLoader1.class.getClassLoader();
        System.out.println("[系统类加载器]ClassLoader1的类加载器为："+classLoader2);
    }
}

控制台效果：

类加载器