Java虚拟机-第7章笔记-虚拟机类加载机制思维导图模板

7.1 概述

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。

Java类型的加载、连接和初始化过程都是在程序运行期间完成的。

进行提前编译会面临额外的困难

稍微增加一些性能开销

提供了极高的扩展性和灵活性

7.2 类加载的时机

类的生命周期

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加载、验证、准备、初始化、卸载这五个阶段的顺序是确定的，类型的加载过程必须按照这种顺序按部就班地开始，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）。

7.3 类加载的过程

1. 加载

在加载阶段，Java虚拟机需要完成三件事情

1. 通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。

2. 将这个字节流所代表的静态存储结构转化为方法区的运行时数据结构。

3. 在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

获取类的二进制字节流的方式

1. 从ZIP压缩包中读取，这很常见，最终成为日后JAR、EAR、WAR格式的基础。

2. 从网络中获取，这种场景最典型的应用就是Web Applet。

3. 运行时计算生成，这种场景使用得最多的就是动态代理技术，在java.lang.reflect.Proxy中，就是用了ProxyGenerator.generateProxyClass()来为特定接口生成形式为“*$Proxy”的代理类的二进制字节流。

4. 由其他文件生成，典型场景是JSP应用，由JSP文件生成对应的Class文件。

5. 从数据库中读取，这种场景相对少见些，例如有些中间件服务器（如SAP Netweaver）可以选择把程序安装到数据库中来完成程序代码在集群间的分发。

6. 可以从加密文件中获取，这是典型的防Class文件被反编译的保护措施，通过加载时解密Class文件来保障程序运行逻辑不被窥探。

一个数组类（下面简称为C）创建过程遵循的规则（数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接在内存中动态构造出来的。但数组类与类加载器仍然有很密切的关系，因为数组类的元素类型（ElementType，指的是数组去掉所有维度的类型）最终还是要靠类加载器来完成加载）

1. 如果数组的组件类型（Component Type，指的是数组去掉一个维度的类型，注意和前面的元素类型区分开来）是引用类型，那就递归采用本节中定义的加载过程去加载这个组件类型，数组C将被标识在加载该组件类型的类加载器的类名称空间上（一个类型必须与类加载器一起确定唯一性）。

2. 如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组的组件类型为int），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。

3. 数组类的可访问性与它的组件类型的可访问性一致，如果组件类型不是引用类型，它的数组类的可访问性将默认为public，可被所有的类和接口访问到。

2. 验证

验证的目的是确保Class文件的字节流中包含的信息符合《Java虚拟机规范》的全部约束要求，保证这些信息被当作代码运行后不会危害虚拟机自身的安全。

四个阶段的检验动作

1. 文件格式验证

主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。

2. 元数据验证

主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java语言规范》定义相悖的元数据信息。

3. 字节码验证

主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。

4. 符号引用验证

主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，Java虚拟机将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError的子类异常

3. 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。

准备阶段两个容易产生混淆的概念

首先是这时候进行内存分配的仅包括类变量，而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在Java堆中。

其次是这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值。

4. 解析

解析阶段是Java虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。

符号引用

符号引用以一组符号来描述所引用的目标，符号可以是任何形式的字面量，只要使用时能无歧义地定位到目标即可。

符号引用与虚拟机实现的内存布局无关，引用的目标并不一定是已经加载到虚拟机内存当中的内容。

各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须都是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在《Java虚拟机规范》的Class文件格式中。

直接引用

直接引用是可以直接指向目标的指针、相对偏移量或者是一个能间接定位到目标的句柄。

直接引用是和虚拟机实现的内存布局直接相关的，同一个符号引用在不同虚拟机实例上翻译出来的直接引用一般不会相同。

如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在虚拟机的内存中存在。

5. 初始化

直到初始化阶段，Java虚拟机才真正开始执行类中编写的Java程序代码，将主导权移交给应用程序。

进行准备阶段时，变量已经赋过一次系统要求的初始零值，而在初始化阶段，则会根据程序员通过程序编码制定的主观计划去初始化类变量和其他资源。

初始化阶段就是执行类构造器&lt;clinit&gt;()方法的过程。

&lt;clinit&gt;()是Javac编译器的自动生成物

&lt;clinit&gt;()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序是由语句在源文件中出现的顺序决定的。（静态语句块中只能访问到定义在静态语句块之前的变量，定义在它之后的变量，在前面的静态语句块可以赋值，但是不能访问）

&lt;clinit&gt;()方法与类的构造函数（即在虚拟机视角中的实例构造器&lt;init&gt;()方法）不同，它不需要显式地调用父类构造器，Java虚拟机会保证在子类的&lt;clinit&gt;()方法执行前，父类的&lt;clinit&gt;()方法已经执行完毕。因此在Java虚拟机中第一个被执行的&lt;clinit&gt;()方法的类型肯定是java.lang.Object。

由于父类的&lt;clinit&gt;()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块要优先于子类的变量赋值操作。

&lt;clinit&gt;()方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成&lt;clinit&gt;()方法。

接口中不能使用静态语句块，但仍然有变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成&lt;clinit&gt;()方法。但接口与类不同的是，执行接口的&lt;clinit&gt;()方法不需要先执行父接口的&lt;clinit&gt;()方法，因为只有当父接口中定义的变量被使用时，父接口才会被初始化。此外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的&lt;clinit&gt;()方法。

Java虚拟机必须保证一个类的&lt;clinit&gt;()方法在多线程环境中被正确地加锁同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有其中一个线程去执行这个类的&lt;clinit&gt;()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行完毕&lt;clinit&gt;()方法。

7.4 类加载器

1. 类与类加载器

对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在Java虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。

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。

2. 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

1.启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现，是虚拟机自身的一部分。

2.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。

站在Java开发人员的角度来看

三层类加载器

启动类加载器（Bootstrap Class Loader）

这个类加载器负责加载存放在&lt;JAVA_HOME&gt;\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。

启动类加载器无法被Java程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给引导类加载器去处理，那直接使用null代替即可。

扩展类加载器（Extension Class Loader）

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&lt;JAVA_HOME&gt;\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。

JDK的开发团队允许用户将具有通用性的类库放置在ext目录里以扩展Java SE的功能，在JDK 9之后，这种扩展机制被模块化带来的天然的扩展能力所取代。

由于扩展类加载器是由Java代码实现的，开发者可以直接在程序中使用扩展类加载器来加载Class文件。

应用程序类加载器（Application Class Loader）

这个类加载器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader来实现。

由于应用程序类加载器是ClassLoader类中的getSystem-ClassLoader()方法的返回值，所以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，开发者同样可以直接在代码中使用这个类加载器。

类加载器双亲委派模型

双亲委派模型（Parents Delegation Model）

双亲委派模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器。

这里类加载器之间的父子关系一般不是以继承（Inheritance）的关系来实现的，而是通常使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。

双亲委派模型的工作过程

1.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；

2.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；

3.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。

双亲委派模型来的优点

类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。

双亲委派模型对于保证Java程序的稳定运作极为重要。

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）

3. 破坏双亲委派模型

第1次“被破坏”：JDK1.2 以前，还未出现双亲委派模型

第2次“被破坏”

JNDI现在已经是Java的标准服务，它的代码由启动类加载器来完成加载（在JDK 1.3时加入到rt.jar的），它需要调用由其他厂商实现并部署在应用程序的ClassPath下的JNDI服务提供者接口（Service Provider Interface，SPI）的代码。（父类调用子类）

线程上下文类加载器（Thread Context ClassLoader）。这个类加载器可以通过java.lang.Thread类的setContext-ClassLoader()方法进行设置，如果创建线程时还未设置，它将会从父线程中继承一个，如果在应用程序的全局范围内都没有设置过的话，那这个类加载器默认就是应用程序类加载器。

JNDI服务使用这个线程上下文类加载器去加载所需的SPI服务代码，这是一种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。

JNDI、JDBC、JCE、JAXB和JBI等类似

当SPI的服务提供者多于一个的时候，代码就只能根据具体提供者的类型来硬编码判断，为了消除这种极不优雅的实现方式，在JDK 6时，JDK提供了java.util.ServiceLoader类，以META-INF/services中的配置信息，辅以责任链模式，这才算是给SPI的加载提供了一种相对合理的解决方案。

第3次“被破坏”：代码热替换（Hot Swap）、模块热部署（Hot Deployment）等

7.5 Java模块化系统

0. 概述

Java的模块定义包含的内容

依赖其他模块的列表。

导出的包列表，即其他模块可以使用的列表。

开放的包列表，即其他模块可反射访问模块的列表。

使用的服务列表。

提供服务的实现列表。

1. 模块的兼容性

2. 模块化下的类加载器

JDK 9后的类加载器委派关系