java类加载器

1、类加载器

首先来看一下java程序的执行过程。

                         

从这个框图很容易大致上了解java程序工做原理。首先，你写好java代码，保存到硬盘当中。而后你在命令行中输入

1. javac YourClassName.java  

此时，你的java代码就被编译成字节码（.class).若是你是在Eclipse IDE或者其余开发工具中，你保存代码的时候，开发工具已经帮你完成了上述的编译工做，所以你能够在对应的目录下看到class文件。此时的class文 件依然是保存在硬盘中，所以，当你在命令行中运行

1. java YourClassName  

就完成了上面红色方框中的工做。JRE的来加载器从硬盘中读取class文件，载入到系统分配给JVM的内存区域--运行数据区（Runtime Data Areas). 而后执行引擎解释或者编译类文件，转化成特定CPU的机器码，CPU执行机器码，至此完成整个过程。

接下来就重点研究一下类加载器究竟为什么物？又是如何工做的？

首先看一下来加载器的一些特色，有点抽象，不过总有帮助的。

》》层级结构

类加载器被组织成一种层级结构关系，也就是父子关系。其中，Bootstrap是全部类加载器的父亲。以下图所示：

        

--Bootstrap class loader：

当运行java虚拟机时，这个类加载器被建立，它加载一些基本的java API，包括Object这个类。须要注意的是，这个类加载器不是用java语言写的，而是用C/C++写的。

--Extension class loader:

这个加载器加载出了基本API以外的一些拓展类，包括一些与安全性能相关的类。（目前了解得不是很深，只能笼统说，待往后再详细说明）

--System Class Loader:

它加载应用程序中的类，也就是在你的classpath中配置的类。

--User-Defined Class Loader:

这是开发人员经过拓展ClassLoader类定义的自定义加载器，加载程序员定义的一些类。

》》委派模式（Delegation Mode）

仔细看上面的层次结构，当JVM加载一个类的时候，下层的加载器会将将任务委托给上一层类加载器，上一层加载检查它的命名空间中是否已经加载这个 类，若是已经加载，直接使用这个类。若是没有加载，继续往上委托直到顶部。检查完了以后，按照相反的顺序进行加载，若是Bootstrap加载器找不到这 个类，则往下委托，直到找到类文件。对于某个特定的类加载器来讲，一个Java类只能被载入一次，也就是说在Java虚拟机中，类的完整标识是 （classLoader，package，className）。一个雷能够被不一样的类加载器加载。

举个具体的例子来讲明，如今加入我有一个本身定义的类MyClass须要加载，若是不指定的话，通常交App（System）加载。接到任务 后，System检查本身的库里是否已经有这个类，发现没有以后委托给Extension，Extension进行一样的检查，发现仍是没有继续往上委 托，最顶层的Boots发现本身库里也没有，因而根据它的路径（Java 核心类库，如java.lang）尝试去加载，没找到这个MaClass类，因而只好（人家看好你，交给你完成，你无能为力，只好交给别人啦）往下委托给 Extension，Extension到本身的路径（JAVA_HOME/jre/lib/ext)是找，仍是没找到，继续往下，此时System加载 器到classpath路径寻找，找到了，因而加载到Java虚拟机。

如今假设咱们将这个类放到JAVA_HOME/jre/lib/ext这个路径中去（至关于交给Extension加载器加载），按照一样的规则， 最后由Extension加载器加载MyClass类，看到了吧，统一各种被两次加载到JVM，可是每次都是由不一样的ClassLoader完成。

》》可见性限制

下层的加载器可以看到上层加载器中的类，反之则不行，也就是是说委托只能从下到上。

》》不容许卸载类

类加载器能够加载一个类，可是它不能卸载一个类。可是类加载器能够被删除或者被建立。

当类加载完毕以后，JVM继续按照下图完成其余工做：

框图中各个步骤简单介绍以下：

Loading：文章前面介绍的类加载，将文件系统中的Class文件载入到JVM内存（运行数据区域）

Verifying：检查载入的类文件是否符合Java规范和虚拟机规范。

Preparing：为这个类分配所须要的内存，肯定这个类的属性、方法等所需的数据结构。（Prepare a data structure that assigns the memory required by classes and indicates the fields, methods, and interfaces defined in the class.）

Resolving：将该类常量池中的符号引用都改变为直接引用。（不是很理解）

Initialing：初始化类的局部变量，为静态域赋值，同时执行静态初始化块。

那么，Class Loader在加载类的时候，究竟作了些什么工做呢？

要了解这其中的细节，必须得先详细介绍一下运行数据区域。

2、运行数据区域

Runtime Data Areas：当运行一个JVM示例时，系统将分配给它一块内存区域（这块内存区域的大小能够设置的），这一内存区域由JVM本身来管理。从这一块内存中分 出一块用来存储一些运行数据，例如建立的对象，传递给方法的参数，局部变量，返回值等等。分出来的这一块就称为运行数据区域。运行数据区域能够划分为6大 块：Java栈、程序计数寄存器（PC寄存器）、本地方法栈（Native Method Stack）、Java堆、方法区域、运行常量池（Runtime Constant Pool）。运行常量池本应该属于方法区，可是因为其重要性，JVM规范将其独立出来讲明。其中，前面3各区域（PC寄存器、Java栈、本地方法栈）是 每一个线程独自拥有的，后三者则是整个JVM实例中的全部线程共有的。这六大块以下图所示：

》PC计数器：

每个线程都拥有一个PC计数器，当线程启动（start）时，PC计数器被建立，这个计数器存放当前正在被执行的字节码指令（JVM指令）的地址。

》Java栈：

一样的，Java栈也是每一个线程单独拥有，线程启动时建立。这个栈中存放着一系列的栈帧（Stack Frame），JVM只能进行压入（Push）和弹出（Pop）栈帧这两种操做。每当调用一个方法时，JVM就往栈里压入一个栈帧，方法结束返回时弹出栈 帧。若是方法执行时出现异常，能够调用printStackTrace等方法来查看栈的状况。栈的示意图以下：

OK。如今咱们再来详细看看每个栈帧中都放着什么东西。从示意图很容易看出，每一个栈帧包含三个部分：本地变量数组，操做数栈，方法所属类的常量池引用。

》局部（本地）变量数组：

局部（本地）变量数组中，从0开始按顺序存放方法所属对象的引用、传递给方法的参数、局部变量。举个例子：

1. public void doSomething(int a, double b, Object o) {  

2. ...  

3. }  

这个方法的栈帧中的局部变量存储的内容分别是：

1. 0: this  

2. 1: a  

3. 2,3:b  

4. 4:0  

看仔细了，其中double类型的b须要两个连续的索引。取值的时候，取出的是2这个索引中的值。若是是静态方法，则数组第0个不存放this引用，而是直接存储传递的参数。

》操做数栈：

操做数栈中存放方法执行时的一些中间变量，JVM在执行方法时压入或者弹出这些变量。其实，操做数栈是方法真正工做的地方，执行方法时，局部变量数组与操做数栈根据方法定义进行数据交换。例如，执行如下代码时，操做数栈的状况以下：

1. int a = 90;  

2. int b = 10;  

3. int c = a + b;  

注意在这个图中，操做数栈的地步是在上边，因此先压入的100位于上方。能够看出，操做数栈实际上是一个数据临时存储区，存放一些中间变量，方法结束了，操做数栈也就没有啦。

》栈帧中数据引用：

除了局部变量数组和操做数栈以外，栈帧还须要一个常量池的引用。当JVM执行到须要常量池的数据时，就是经过这个引用来访问常量池的。栈帧中的数据 还要负责处理方法的返回和异常。若是经过return返回，则将该方法的栈帧从Java栈中弹出。若是方法有返回值，则将返回值压入到调用该方法的方法的 操做数栈中。另外，数据区中还保存中该方法可能的异常表的引用。下面的例子用来讲明：

1. class Example3C{  

2.     public static void addAndPrint(){  

3.         double result = addTwoTypes(1,88.88);  

4.         System.out.println(result);  

5.     }  

6.     public static double addTwoTypes(int i, double d){  

7.     return i+d;  

8.     }  

9.   

10. }  

执行上述代码时，Java栈以下图所示：

花些时间好好研究上图。同样须要注意的是，栈的底部在上方，先押人员addAndPrint方法的栈帧，再压入addTwoTypes方法的栈帧。上图最右边的文字说明有错误，应该是addTwoTypes的执行结果存放在addAndPrint的操做数栈中。

》》本地方法栈

当程序经过JNI（Java Native Interface）调用本地方法（如C或者C++代码）时，就根据本地方法的语言类型创建相应的栈。

》》方法区域

方法区域是一个JVM实例中的全部线程共享的，当启动一个JVM实例时，方法区域被建立。它用于存运行放常量池、有关域和方法的信息、静态变量、类 和方法的字节码。不一样的JVM实现方式在实现方法区域的时候会有所区别。Oracle的HotSpot称之为永久区域（Permanent Area）或者永久代（Permanent Generation）。

》》运行常量池

这个区域存放类和接口的常量，除此以外，它还存放方法和域的全部引用。当一个方法或者域被引用的时候，JVM就经过运行常量池中的这些引用来查找方法和域在内存中的的实际地址。

》》堆（Heap）

堆中存放的是程序建立的对象或者实例。这个区域对JVM的性能影响很大。垃圾回收机制处理的正是这一块内存区域。

因此，类加载器加载其实就是根据编译后的Class文件，将java字节码载入JVM内存，并完成对运行数据处于的初始化工做，供执行引擎执行。

3、 执行引擎（Execution  Engine）

类加载器将字节码载入内存以后，执行引擎以Java 字节码指令为希望，读取Java字节码。问题是，如今的java字节码机器是读不懂的，所以还必须想办法将字节码转化成平台相关的机器码。这个过程能够由 解释器来执行，也能够有即时编译器（JIT Compiler）来完成。