Java类加载器

时间 2019-11-08

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将类的.class文件读入内存，并为之建立一个java.lang.Class的对象，而.class文件只有被确的加载到JVM正中才能运行和使用。java

1、类加载的过程

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的生命周期包括了：加载(Loading)、验证(Verification)、准备(Preparation)、解析(Resolution)、初始化(Initialization)、使用(Using)、卸载(Unloading)七个阶段，其中验证、准备、解析三个部分统称连接。程序员

加载

加载阶段是“类加载机制”中的一个阶段，这个阶段一般也被称做“装载”，主要完成：数组

经过“类全名”来获取定义此类的二进制字节流
将字节流所表明的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构
在java堆中生成一个表明这个类的java.lang.Class对象，做为方法区这些数据的访问入口

验证

验证是链接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合虚拟机的要求，而且不会危害虚拟机自身的安全。验证阶段大体会完成如下4个阶段的校验动做：文件格式验证、元数据验证、字节码验证和符号引用验证。安全

1.文件格式验证

这一阶段目的是验证二进制字节流是否符合Class文件格式的规范，而且能被当前版本的虚拟机处理，检测内容包括如下几点：数据结构

是否以魔数（0xCAFEBABY）开头。
主次版本号是否在当前虚拟机处理范围以内。
常量池中的常量是否有不支持的常量类型。
指向常量的各类索引值中是否有指向不存在的常量或不符合类型的常量。
CONSTANT_Utf8_info 型常量是否有不符合UTF8数据编码的数据。
Class文件中各个部分及文件自己是否有被删除的或附加的信息。

2.元数据验证

这一阶段主要对字节码的描述信息进行语义分析，以保证其描述信息符合java语言规范，这阶段的验证点可能包括如下几点：jvm

这个类是否有父类
这个类的父类是否继承了不被容许继承的类(被final修饰)
若是这个类不是抽象类，是否实现了父类或接口中的方法
类中的字段、方法是否与父类产生矛盾（覆盖父类的final字段值等）

3.字节码验证

这一阶段目的主要目的是肯定程序语义是合法的、符合逻辑的。这个阶段主要对类的字节码进行校验分析，保证该类的方法不会在运行时作出危害虚拟机安全的事：ide

保证任意时刻操做数栈的数据类型与指令代码序列都能配合工做，例如不会出险操做数栈上 int 类型的数据使用时按long类型加载进本地变量表中。
保证跳转指令不会跳转到方法体之外的字节码指令上。
保证方法体内的类型转化是有效的，能够把一个子类对象赋值给父类数据结构，这是安全的，而不能把父类赋值给子类甚至与它无关系的数据类型，这是危险和不合法的。

4.符号引用验证

这一阶段用来将符号引用转换为直接引用的时候，这个转化将在解析阶段中发生，符号引用验证能够看作是类对自身之外（常量池中各类符号引用）的信息进行匹配性校验，一般须要校验如下内容：post

符号引用中可否根据字符串的权限定名找到对应的类。
在指定类中是否存在符合方法的字段描述符以及简单名称描述的方法和字段。
符号引用中的类、字段、方法的访问性是否能够被当前类访问。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区分配。实例变量会在对象实例化的时候跟对象一块儿在java堆中分配。这里的初始值指的是一般状况下的零值。假设一个类变量定义为：学习

public static int a=123;
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那么变量a初始化的值是0而不是123。若是变量同时是final类型，那么准备阶段就会被赋值为123，没必要等到初始化阶段再赋值。this

解析

解析阶段是将虚拟机常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。解析动做主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号进行。可能你们有疑问Class文件中哪有这么多内容，其实上面也说了，是针对常量池。不论是CLass文件中的方法表仍是字段表，不能直接表示的内容，基本都会直接或间接存在常量池中，所以解析过程就是针对常量池中的数据类型进行解析的。

1.类或接口的解析

要把一个从未解析过的符号引用N解析为一个类或接口的直接引用，虚拟机须要完成如下3个步骤：

若是C不是一个数组类型，那么虚拟机会把表明N的权限定名传递给D的类加载器去加载这个类C。在加载的过程中，因为元数据、字节码验证的操做，又可能触发其它类的加载动做，一旦出险任何异常，则解析宣告失败。
若是C是一个数组类型，而且数组元素为对象，描述符相似“[Ljava/lang/Integer”的形式按照第一点的规则加载数组元素类型。若是N的描述符如前面所假设的形式，须要加载的类型就是java.lang.Integer，接着由虚拟机生成一个表明次数组维度和元素的数组对象。
若是上面的步骤没有任何异常，那么C在虚拟机中实际上已经称为一个有效的类或接口了。解析以前还要进行符号验证，确认D是否具备对C的访问权限，若是不具有则会抛出异常。

2.字段解析

对字段表内class_index项中索引的CONSTANT_Class_info符号引用进行解析，也就是字段所属的类或接口的符号引用，若是解析这个类或符号引用的过程当中出现任何异常，都会致使字段符号引用解析的失败。若是解析成功，这个字段对应的类或接口用C表示，接下来沿着A和它的父类/父接口寻找是否有这个字段，若是有会进行权限验证，若是不具有权限则抛出异常。若是这个过程不出错，则会在找到符合字段的时候返回这个字段的直接饮用，查找结束。

3.类(静态)方法解析类方法解析

首先也要首先解析出类方法表class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用，解析成功用C表示。
类方法和接口方法符号引用的常量类型定义是分开的，若是在类方法表中索引类是个接口，直接抛出异常。
若是经过了第一步，在类C中查找是否有简单名称和描述符都与目标匹配的方法，有则返回这个方法的直接引用，查找结束。
不然在类的父类递归查找是否有这个方法，有则返回直接引用，查找结束。
不然在类的接口列表和父接口递归查找，若是存在匹配的方法，说明类C是一个抽象类，查找结束，抛出异常。
不然宣告查找失败，抛出异常。
最后若是查找成功返回了直接引用，还要对这个方法进行权限验证，若是不具有权限，则会抛出异常。

4.接口方法解析

接口方法须要先解析出接口方法表的class_index项中索引的方法所属的类或接口的符号引用。

若是发现class_index中的索引C是个类而不是接口，直接抛出异常。
不然在接口C中查找是否有描述符和名称都匹配的方法，有则返回方法的直接引用，查找结束。
不然在其父接口中递归查找，匹配就返回方法的直接引用，查找结束。
不然宣告方法查找失败。

初始化

类的初始化阶段是类加载过程的最后一步，在准备阶段，类变量已赋过一次系统要求的初始值，而在初始化阶段，则是根据程序员经过程序制定的主观计划去初始化类变量和其余资源，或者能够从另一个角度来表达：初始化阶段是执行类构造器()方法的过程。

在如下四种状况下初始化过程会被触发执行：

1.遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这4条字节码指令时，若是类没有进行过初始化，则需先触发其初始化。生成这4条指令的最多见的java代码场景是：使用new关键字实例化对象、读取或设置一个类的静态字段(被final修饰、已在编译器把结果放入常量池的静态字段除外)的时候，以及调用类的静态方法的时候。
2.使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候
3.当初始化一个类的时候，若是发现其父类尚未进行过初始化、则须要先出发其父类的初始化
4.jvm启动时，用户指定一个执行的主类(包含main方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类

初始化类的方法

初始化，也就是new时候会初始化类
访问类或者接口中的静态变量或者对其赋值
调用类的静态方法
反射Class.forName("com.geminno");
初始化它的子类，父类也会初始化
虚拟机启动时被标明是启动类的类（java Test），直接用java.exe运行某个类；

类中成员初始化的顺序：

父类的静态字段——>父类静态代码块——>子类静态字段——>子类静态代码块——>父类成员变量（非静态字段）——>父类非静态代码块——>父类构造器——>子类成员变量——>子类非静态代码块——>子类构造器
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2、类加载器

1.类与类加载器

对于任何一个类，都须要由加载它的类加载器和这个类来确立其在JVM中的惟一性。也就是说，两个类来源于同一个Class文件，而且被同一个类加载器加载，这两个类才相等。

2.双亲委派模型

从虚拟机的角度来讲，只存在两种不一样的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），该类加载器使用C++语言实现，属于虚拟机自身的一部分。另一种就是全部其它的类加载器，这些类加载器是由Java语言实现，独立于JVM外部，而且所有继承自抽象类java.lang.ClassLoader。

大部分Java程序通常会使用到如下三种系统提供的类加载器：

①启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：负责加载JAVA_HOME\lib目录中而且能被虚拟机识别的类库到JVM内存中，若是名称不符合的类库即便放在lib目录中也不会被加载。该类加载器没法被Java程序直接引用。
②扩展类加载器（Extension ClassLoader）：该加载器主要是负责加载JAVA_HOME\lib\，该加载器能够被开发者直接使用。
③应用程序类加载器（Application ClassLoader）：该类加载器也称为系统类加载器，它负责加载用户类路径（Classpath）上所指定的类库，开发者能够直接使用该类加载器，若是应用程序中没有自定义过本身的类加载器，通常状况下这个就是程序中默认的类加载器。

双亲委派模型的源码实现：

主要体如今ClassLoader的loadClass()方法中，思路很简单：先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父类加载器为空则默认使用启动类加载器做为父类加载器。若是父类加载器加载失败，抛出ClassNotFoundException异常后，调用本身的findClass()方法进行加载。

三.自定义类加载器

若要实现自定义类加载器，只须要继承java.lang.ClassLoader类，而且重写其findClass()方法便可java.lang.ClassLoader 类的基本职责就是根据一个指定的类的名称，找到或者生成其对应的字节代码，而后从这些字节代码中定义出一个Java 类，即java.lang.Class类的一个实例。除此以外，ClassLoader还负责加载Java 应用所需的资源，如图像文件和配置文件等，ClassLoader中与加载类相关的方法以下：

方法说明

getParent()  返回该类加载器的父类加载器。

loadClass(String name) 加载名称为 二进制名称为name 的类，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。

findClass(String name) 查找名称为 name 的类，返回的结果是 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，返回的结果是 java.lang.Class 类的实例。

resolveClass(Class<?> c) 连接指定的 Java 类。
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/** * 1、ClassLoader加载类的顺序 * 1.调用 findLoadedClass(String) 来检查是否已经加载类。 * 2.在父类加载器上调用 loadClass 方法。若是父类加载器为 null，则使用虚拟机的内置类加载器。 * 3.调用 findClass(String) 方法查找类。 * 2、实现本身的类加载器 * 1.获取类的class文件的字节数组 * 2.将字节数组转换为Class类的实例 * @author lei 2011-9-1 */
	public class ClassLoaderTest {
	    public static void main(String[] args) throws InstantiationException, IllegalAccessException, ClassNotFoundException {
	        //新建一个类加载器
	        MyClassLoader cl = new MyClassLoader("myClassLoader");
	        //加载类，获得Class对象
	        Class<?> clazz = cl.loadClass("classloader.Animal");
	        //获得类的实例
	        Animal animal=(Animal) clazz.newInstance();
	        animal.say();
	    }
	}
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class Animal{
	    public void say(){
	        System.out.println("hello world!");
	    }
	}
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class MyClassLoader extends ClassLoader {
	    //类加载器的名称
	    private String name;
	    //类存放的路径
	    private String path = "E:\\workspace\\Algorithm\\src";
	    MyClassLoader(String name) {
	        this.name = name;
	    }
	    MyClassLoader(ClassLoader parent, String name) {
	        super(parent);
	        this.name = name;
	    }
	    /** * 重写findClass方法 */
	    @Override
	    public Class<?> findClass(String name) {
	        byte[] data = loadClassData(name);
	        return this.defineClass(name, data, 0, data.length);
	    }
	    public byte[] loadClassData(String name) {
	        try {
	            name = name.replace(".", "//");
	            FileInputStream is = new FileInputStream(new File(path + name + ".class"));
	            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
	            int b = 0;
	            while ((b = is.read()) != -1) {
	                baos.write(b);
	            }
	            return baos.toByteArray();
	        } catch (Exception e) {
	            e.printStackTrace();
	        }
	        return null;
	    }
	}

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四.问题

1.根据类加载器加载类的初始化原理，推断如下代码的输入结果为？

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
      ClassLoader classLoader=ClassLoader.getSystemClassLoader();
      Class clazz=classLoader.loadClass("A");
      System.out.print("Test");
      clazz.forName("A");
    }
}

class A{
    static {
        System.out.print("A");
    }
}
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解答：

2.继承是JAVA语言的一个特性，针对类的继承，虚拟机会如何进行父类和子类的初始化加载呢？请阅读代码选择出该段代码的输入结果？

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.print(B.c);
    }
}

class A {
    public static String c = "C";
    static {
        System.out.print("A");
    }
}

class B extends A{
    static {
        System.out.print("B");
    }
}
复制代码

解答：

3.JAVA的类加载期负责整个生命周期内的class的初始化和加载工做，就虚拟机的规范来讲，如下代码会输出什么结果？

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(Test2.a);
    }
}

class Test2{
    public static final String a=new String("JD");
    static {
        System.out.print("OK");
    }
}
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解答：

4.能不能本身写个类叫`java.lang.System`？

答案：一般不能够，但能够采起另类方法达到这个需求。
解释：为了避免让咱们写System类，类加载采用委托机制，这样能够保证爸爸们优先，爸爸们能找到的类，儿子就没有机会加载。而System类是Bootstrap加载器加载的，就算本身重写，也老是使用Java系统提供的System，本身写的System类根本没有机会获得加载。可是，咱们能够本身定义一个类加载器来达到这个目的，为了不双亲委托机制，这个类加载器也必须是特殊的。因为系统自带的三个类加载器都加载特定目录下的类，若是咱们本身的类加载器放在一个特殊的目录，那么系统的加载器就没法加载，也就是最终仍是由咱们本身的加载器加载。

引用参考：
① juejin.im/post/5a1d64…
② blog.csdn.net/boyupeng/ar…
③ blog.csdn.net/boyupeng/ar…

备注：文章内容还在深刻学习，会不断修改跟新！