Class装载系统

梦里梦外; 2022-05-28 05:09 156阅读 0赞

# Class装载系统 #

Class类型通常以文件的形式存在（当然，任何二进制流都可以是Class类型），只有被Java虚拟机装载的Class类型才能在程序中使用。系统加载Class类型可以分为加载、链接和初始化3个步骤。其中，链接又可以分为验证、准备和解析3个步骤。  
![这里写图片描述][70]

## 类装载的条件 ##

Class只有在必须要使用的时候才会被装载，Java虚拟机不会无条件的装载Class类型。Java虚拟机规定：**一个类或者接口在初次使用时，必须进行初始化**。这里的使用指的是主动使用，主动使用有以下几种情况：

1.  当创建一个类的实例时，比如使用new关键字，或者通过反射、克隆、反序列化。
2.  当调用类的静态方法时，即当使用了字节码invokestatic指令
3.  当使用类或者接口的静态字段时（final常量除外），即使用getstatic或者putstatic指令
4.  当使用java.lang.reflect包中的方法反射类的方法时
5.  当初始化子类时，必须先初始化父类
6.  作为启动虚拟机、含有main方法的那个类 除了以上情况属于主动使用外，其他情况均属于被动使用，被动使用不会引起类的初始化。

## 加载 ##

*  装载类的第一个阶段
 *  通过类的全限定名取得类的二进制流
 *  转为方法区数据结构
 *  在Java堆中生成对应的java.lang.Class对象

## 链接 -> 验证 ##

目的：保证Class流的格式是正确的

**文件格式的验证**

*  是否以0xCAFEBABE开头
 *  版本号是否合理

**元数据验证（语义检查）**

*  是否有父类
 *  继承了final类？
 *  非抽象类实现了所有的抽象方法

**字节码验证 (很复杂)**

*  跳转指令是否指向正确的位置
 *  操作数类型是否合理

**符号引用验证**

*  符号引用的直接引用是否存在

## 链接 -> 准备 ##

当一个类验证通过后，虚拟机就会进入准备阶段，在这个阶段，虚拟机会为这个类分配相应的内存空间，并设置初始值。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>类型</th> 
   <th align="center">默认初始值</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>nt</td> 
   <td align="center">0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>long</td> 
   <td align="center">0L</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>short</td> 
   <td align="center">(short)0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>char</td> 
   <td align="center">\u0000</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>boolean</td> 
   <td align="center">false</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reference</td> 
   <td align="center">null</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>float</td> 
   <td align="center">0f</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>double</td> 
   <td align="center">0f</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

注意：java并不支持boolean类型，对于boolean类型，内部实现是Int，由于int的默认值是0，故对应的，boolean的默认值是false

这里举个例子：

public static int v=1;

对于这句代码：

*  在准备阶段中，v会被设置为0
 *  在初始化`<clinit>`方法中，v才会被设置为1
 *  对于static final类型（常量），在准备阶段就会被赋上正确的值
 *  public static final int v=1;

## 链接 -> 解析 ##

解析阶段的任务就是将类、接口、字段和方法的符号引用转为直接引用。  
符号引用只是一种表示的方式，比如某个类继承java.lang.object，在符号引用阶段，只会记录该类是继承”java.lang.object”，以这种字符串的形式保存，但是不能保证该对象被记载。

直接引用就是真正能使用的引用，它是指针或者地址偏移量，引用对象一定在内存。最终知道在内存中到底放在哪里。

替换后，Class才能索引到它要用的那些内容。

## 初始化 ##

初始化时类装载的最后一个阶段。如果前面的步骤没有出现问题，那么表示类可以顺利装载到系统中。此时，类才会开始执行java字节码。

初始化阶段的重要工作是执行类的初始化方法`<clinit>`方法，`<clinit>`是由编译器自动生成的，它是由类静态成员的赋值语句以及static语句块合并产生的。

*  static变量的赋值语句
 *  static\{\}语句

子类的`<clinit>`调用前保证父类的`<clinit>`被调用，因此，在虚拟机中第一个被执行的`<clinit>`方法的类肯定是java.lang.Object

实验:

public class Test extends A { 
        static {
            System.out.println("Test");
        }
        public static void main(String[] args)
        {
            A a = new A();
        }
    }
    
    class A {
        static {
            System.out.println("A");
        }
    }

输出：

A
    Test

`<clinit>`是线程安全的

那么Java.lang.NoSuchFieldError错误可能在什么阶段抛出呢？

很显然是在链接的验证阶段的符号引用验证时会抛出这个异常，或者NoSuchMethodError等异常。

# 什么是类装载器ClassLoader #

*  ClassLoader是一个抽象类
 *  ClassLoader的实例将读入Java字节码将类装载到JVM中
 *  ClassLoader可以定制，满足不同的字节码流获取方式（譬如从网络中加载，从文件中加载）
 *  ClassLoader负责类装载过程中的加载阶段

## ClassLoader的重要方法 ##

![这里写图片描述][70 1]

## 系统中的ClassLoader ##

*  BootStrap ClassLoader（启动ClassLoader）
 *  Extension ClassLoader（扩展ClassLoader）
 *  App ClassLoader （应用ClassLoader/系统ClassLoader）
 *  Custom ClassLoader(自定义ClassLoader)

每个ClassLoader都有一个Parent作为父亲( BootStrap除外)

## JDK中ClassLoader默认设计模式 – 协同工作 ##

![这里写图片描述][70 2]

自底向上检查类是否被加载，一般情况下，首先先从AppClassLoader中调用findLoadedClass查看是否已经加载，如果没有加载，则会交给父类，ExtensionClassLoader去查看是否加载，还没加载，则再调用其父类，BootstrapClassLoader查看是否已经加载，如果仍然没有，自顶向下尝试加载类，那么从 BootstrapClassLoader到 AppClassLoader依次尝试加载。

其中Bootstrap ClassLoader之中的参数 -Xbootclasspath可以指定加载的路径，这样该路径下的类也会存在于Bootstrap ClassLoader之中。

为了证明自顶向下尝试加载类,举个例子：  
![这里写图片描述][70 3]  
![这里写图片描述][70 4]

此时运行显示： I am in apploader

如果在建一个类，放到路劲D:/tmp/clz 之中  
![这里写图片描述][70 5]

此时加上参数 -Xbootclasspath/a:D:/tmp/clz 运行的时候显示： I am in bootloader

证明ClassLoader自顶向下尝试加载类

加载的源码：  
![这里写图片描述][70 6]

从代码上可以很容易看出来，首先先自己查看这个类是否被调用，如果没有找到，则调用父亲的loadClass，直到BootstrapClassLoader（没有父亲）。

我们把这个加载的过程叫做双亲模式。

双亲委托机制的作用是防止系统jar包被本地替换

## 双亲模式的问题 ##

这种模式下会有一个问题：

顶层ClassLoader，无法加载底层ClassLoader的类

Java框架(rt.jar)如何加载应用的类？

比如：javax.xml.parsers包中定义了xml解析的类接口  
Service Provider Interface SPI 位于rt.jar  
即接口在启动ClassLoader中。  
而SPI的实现类，在AppLoader。

这样就无法用BootstrapClassLoader去加载SPI的实现类。

## 解决 ##

JDK中提供了一个方法：

Thread. setContextClassLoader()

*  上下文加载器
 *  是一个角色
 *  用以解决顶层ClassLoader无法访问底层ClassLoader的类的问题
 *  基本思想是，在顶层ClassLoader中，传入底层ClassLoader的实例

上下文ClassLoader可以突破双亲模式的局限性

举个例子：  
![这里写图片描述][70 7]  
![这里写图片描述][70 8]

主要就是在 cl != null的情况下,返回cl.loadClass(className)

顺便说一下：

*  双亲模式是默认的模式，但不是必须这么做
 *  Tomcat的WebappClassLoader就会先加载自己的Class，找不到再委托parent
 *  OSGi的ClassLoader形成网状结构，根据需要自由加载Class

[70]: /images/20220528/ab3f77a63568430db60b8634dff94670.png
[70 1]: /images/20220528/f28c2e93cfd64e8aa20835d1ea930b53.png
[70 2]: /images/20220528/2179442ae0d94027b70b7632f0bbc207.png
[70 3]: /images/20220528/b9e362d6f4494962bc29e7da2d7ce701.png
[70 4]: /images/20220528/fa9721ae188c4e27a52bc3b3fc0cf4be.png
[70 5]: /images/20220528/b559b387724748c7b443d9f74a670d3a.png
[70 6]: /images/20220528/b19ab228f4ef4c13b68e31441029fbfc.png
[70 7]: /images/20220528/12e877e0f850464196913bcbd513e43e.png
[70 8]: /images/20220528/854dbc5d4e394586951f2fa94e5bff2e.png