深入理解Java虚拟机（四）

我不是女神ヾ 2022-11-01 13:51 186阅读 0赞

> 这里我们主要总结一下Java虚拟机中的 **类加载机制**

> Java虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存，并对数据进行校验、转换解析和初始化，最 终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这个过程被称作虚拟机的类加载机制。

## 一、类加载的生命周期 ##

> 一个类型从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期将会经历**加载** （Loading）、**验证**（Verification）、**准备**（Preparation）、**解析**（Resolution）、**初始化** （Initialization）、**使用**（Using）和 **卸载**（Unloading）七个阶段，其中**验证、准备、解析三个部分统称为连接**（Linking）。  
> ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTIyMTEz_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
> 加载、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的；  
> 而解析阶段则不一定：它在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始， 这是为了支持Java语言的运行时绑定特性（也称为动态绑定或晚期绑定）。

## 二、类加载的过程 ##

### 1、加载（通过双亲委派模型） ###

*  通过**全限定名**（包名加类名）获取二进制流
 *  将静态结构转化为方法区运行时数据结构
 *  生成一个java.lang.Class对象，作为访问入口

### 2、连接 （包含 验证、准备、解析 ） ###

*  **验证**（非常重要，严谨；包含以下验证点）
    
     *  文件格式验证
     *  元数据验证
     *  字节码验证
     *  符号引用验证
 *  **准备**
    
     *  准备阶段是正式为**类中定义的变量**（即**静态变量**，被static修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段。
     *  先初始化为**零值** （如果被final修饰，那么该是什么值就是什么值）
 *  **解析**
    
     *  将符号引用转换为直接引用

### 3、初始化 ###

*  类的初始化阶段是**类加载过程的最后一个步骤**
 *  **会把static的赋值为对应的值**
 *  普通的先开始赋值成零值
 *  **遇到以下六种情况必须立即对类进行“初始化”**
    
     *  遇到new、getstatic、putstatic或invokestatic这四条字节码指令时
     *  反射调用的时候
     *  如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要先触发其父类的初始化。
     *  先初始化包含main()方法的那个主类
     *  当使用JDK 7新加入的动态语言支持时，如果一个java.lang.invoke.MethodHandle实例最后的解 析结果为REF\_getStatic、REF\_putStatic、REF\_invokeStatic、REF\_newInvokeSpecial四种类型的方法句 柄，并且这个方法句柄对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。
     *  当一个接口中定义了JDK 8新加入的默认方法（被**default**关键字修饰的接口方法）时，如果有 这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

## 三、类加载器（重要） ##

> Java虚拟机设计团队有意把类加载阶段中的“**通过一个类的全限定名来获取描述该类的二进制字节流**”这个动作放到Java虚拟机外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类。**实现这个动作的代码**被称为“**类加载器**”（Class Loader）。

> 比较两个类是否“相 等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个Class文件，被同一个Java虚拟机加载，只要加载它们的**类加载器不同，那这两个类就必定不相等**。

### 1、双亲委派模型 ###

> 站在Java虚拟机的角度来看，只存在两种不同的类加载器：一种是**启动类加载器**（Bootstrap ClassLoader），是虚拟机自身的一部分；另外一种就是**其他所有的类加载器**，这些类加载器都由Java语言实现，独立存在于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader。

> 自**JDK 1.2**以来，Java一直保 持着**三层类加载器**、**双亲委派的类加载**架构（注意，**1.1是没有的**）

我们来学习什么是三层类加载器以及是什么是双亲委派模型。

#### 1、三层类加载器 ####

*  **启动类加载器**
    
     *  这个类加载器负责加载存放在 <JAVA\_HOME>\\lib目录，或者被-Xbootclasspath参数所指定的路径中存放的，而且是**Java虚拟机能够识别的**（按照文件名识别，如rt.**jar**、tools.jar，名字不符合的类库即使放在lib目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机的内存中。
 *  **拓展类加载器**
    
     *  这是一种Java系统类库的扩展机制。
     *  这个类加载器是在类sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 中以Java代码的形式实现的。它负责加载<JAVA\_HOME>\\lib\\ext目录中，或者被java.ext.dirs系统变量所 指定的路径中所有的类库。
 *  **应用程序类加载器**
    
     *  有些场合中也称它为“**系统类加载器**”
     *  它负责加载**用户类路径** （ClassPath）上所有的类库
     *  如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器。

> JDK 9之前的Java应用都是由这三种类加载器互相配合来完成加载的，如果用户认为有必要，还可 以加入**自定义的类加载器**来进行拓展

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#### 2、**双亲委派模型** ####

*  上图展示的**各种类加载器之间的层次关系**被称为类加载器的**双亲委派模型**
 *  **工作过程**：
    
     *  如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去尝试加载这个类，而是把这个请求**委派给父类加载器**去完成，每一个层次的类加载器都是如此，因此所有的加载请求**最终都应该传送到最顶层的启动类加载器**中，只有当父加载器反馈自己无法完成这个加载请求（它的搜索范围中没有找到所需的类）时，子加载器才会尝试自己去完成加载。
 *  使用双亲委派模型有两个**好处**：
    
     *  一个是避免重复加载，提升性能
     *  避免了核心类被用户篡改

#### 3、破坏型双亲委派模型 ####

*  **三次破坏**
    
     *  第一次破坏是发生在JDK1.2之前，由于双亲委派模型在JDK 1.2之后才被引入，但是类加载器的概念和抽象类 java.lang.ClassLoader则在Java的第一个版本中就已经存在，面对已经存在的用户自定义类加载器的代码，Java设计者们引入双亲委派模型时不得不做出一些妥协，为了兼容这些已有代码，无法再以技术手段避免loadClass()被子类覆盖的可能性，只能在JDK 1.2之后的java.lang.ClassLoader中**添加一个新的 protected方法findClass()**，并引导用户编写的类加载逻辑时尽可能去重写这个方法，而不是在 loadClass()中编写代码。
     *  第二次“被破坏”是由这个模型自身的缺陷导致的，双亲委派很好地解决了各个类加载器协作时基础类型的一致性问题（越基础的类由越上层的加载器进行加载），基础类型之所以被 称为“基础”，是因为它们总是作为被用户代码继承、调用的API存在，但程序设计往往没有绝对不变的完美规则，如果有基础类型又要调用回用户的代码，那该怎么办呢？
        
         *  典型代表就是**JNDI服务**（简单来讲就是**父类加载器去请求子类加载器完成类加载的行为**，这种行为实际上是打通了双亲委派模型的层次结构来逆向使用类加载器，已经违背了双亲委派模型的一般性原则）。
         *  **JDBC**：原生的JDBC中Driver驱动本身只是一个接口，并没有具体的实现，具体的实现是由不同数据库类型去实现的。例如，MySQL的mysql-connector-.jar中的Driver类具体实现的。 原生的JDBC中的类是放在rt.jar包的，是由启动类加载器进行类加载的，在JDBC中的Driver类中需要动态去加载不同数据库类型的Driver类，而mysql-connector-.jar中的Driver类是用户自己写的代码，那启动类加载器肯定是不能进行加载的，既然是自己编写的代码，那就需要由应用程序启动类去进行类加载。于是乎，这个时候就引入**线程上下文件类加载器**(Thread Context ClassLoader)。有了这个东西之后，**程序就可以把原本需要由启动类加载器进行加载的类，由应用程序类加载器去进行加载了**。
     *  双亲委派模型的第三次“被破坏”是由于用户对程序**动态性的追求**而导致的，这里所说的“动态性”指的是一些非常“热”门的名词：**代码热替换**（Hot Swap）、**模块热部署**（Hot Deployment）等。
        
         *  案例：**OSGi实现模块化热部署**的关键是它自定义的类加载器机制的实现，每一个**程序模块**（OSGi中称为 **Bundle**）都有一个自己的类加载器，当需要更换一个Bundle时，就把Bundle连同类加载器一起换掉以实现代码的热替换。在OSGi环境下，类加载器不再双亲委派模型推荐的树状结构，而是进一步发展为更加复杂的网状结构。

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