类加载机制

左手的ㄟ右手 2022-06-10 06:47 330阅读 0赞

任何一个类在使用前都要经历过完整的加载，连接和初始化三个类加载步骤。经历过这三个步骤之后类型就能随时随地被使用了。从一个类型被加载进JVM算起，直至最终被卸载出内存为止，它的整个生命周期也就随之结束。

# 类加载器 #

类加载器是JVM执行类加载的前提。类加载器的主要任务是根据一个类的全限定名来读取 此类的二进制字节流到JVM内部，然后转换为一个与目标类对应的java.lang.Class对象实例。

常见的类加载器：

Bootstrap ClassLoader

ExtClassLoader

AppClassLoader

BootStrap ClassLoader也称之为启动类加载器，它由C++语言编写并嵌套在JVM内部，主要负责加载“JAVA\_HOME/lib”目录中的所有类型，或者由选项"-Xbootclasspath"指定路径中的所有类型。ExtClassLoader和AppClassLoader派生于ClassLoader，并且都是采用java语言进行编写的，前者主要负责加载“JAVA\_HOME/lib/ext”扩展目录中的所有类型，后者则主要负责加载ClassPath目录中的所有类型。

**抽象类ClassLoader**

如果当前类加载器无法满足我们的需求时，我们便可以自己编写类加载器，只需要继承ClassLoader并重写findclass（）方法。编写好自定义类加载器后便可在程序中调用loadClass（）方法来实现类的加载

ClassLoader常用方法

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除了启动类加载器之外，程序中的每一个类加载器都有一个超类加载器，AppClassLoader的超类加载器是ExtClassLoader。一个普通的java类一旦继承抽象类ClassLoader并重写其findClass（）方法后，它就已经是一个自定义类加载器了。findClass（）和defineClass（）通常组合使用，重写findClass（）指定相应的逻辑处理操作，比如加密字节码文件防止反编译，在加载进JVM内部之前执行解密。当成功解密之后，姐可以调用defineClass（）方法将解密之后的byte数组转换为一个类的Class对象实例。如果希望在类加载到JVM内部时就被链接（Link），那么便可以调用resolveClass（）方法，当然也可以由JVM选择什么时候执行链接操作。

**双亲委派模型**

java虚拟机的设计者通过一种被称之为双亲委派模型（Parent Delegation Model）的委派机制来约定类加载器的加载机制。按照双亲委派模型的规则，除了启动类加载器之外，程序中的每一个类加载器都应该拥有一个超类加载器，我们自定义的类加载器的父类就是AppClassLoader。当一个类加载器接收到一个类加载任务的时候，他并不会立即展开加载，而是将加载任务委派给他的超类加载器去执行，每一层的类加载器都采用相同的方式，直至委派给最顶层的启动类加载器为止。如果超类无法加载委派给他的类时，便会将类的加载任务退回给他的下一级类加载器去加载。

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使用双亲委派模型的有点就是能够有效的确保一个类的全局唯一性，当程序中出现多个全限定名相同的类时，类加载器在执行加载的时候始终只会加载其中的某一个类，不会两个类都执行加载，如果想通过defineClass（0方法进行显示的加载，JVM会抛出异常。

protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
     throws ClassNotFoundException
     {
     synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
     // First, check if the class has already been loaded
     Class<?> c = findLoadedClass(name);
     if (c == null) {
     long t0 = System.nanoTime();
     try {
     if (parent != null) {
     c = parent.loadClass(name, false);
     } else {
     c = findBootstrapClassOrNull(name);
     }
     } catch (ClassNotFoundException e) {
     // ClassNotFoundException thrown if class not found
     // from the non-null parent class loader
     }
    
     if (c == null) {
     // If still not found, then invoke findClass in order
     // to find the class.
     long t1 = System.nanoTime();
     c = findClass(name);
    
     // this is the defining class loader; record the stats
     sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
     sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
     sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
     }
     }
     if (resolve) {
     resolveClass(c);
     }
     return c;
     }
     }

先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父类加载器失败，抛出异常后再调用自己的findClass()方法进行加载。

** 类加载的全过程**

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其中加载、验证、准备、初始化和卸载这5个阶段的顺序是确定的，类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，为了支持java语言的运行时绑定，解析动作放在了类初始化之后。  
  
**加载**  
  
在加载阶段，虚拟机需要完成以下3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。   
这是虚拟机规范的三点，但是并没有明确指出具体要怎么做。   
例如第一条：虚拟机要一个二进制字节流，但是没有明确指明要从哪里获取，怎么样获取，这就可以玩出很多花样来了。最常见的如从压缩包中读取，jar包啊、war包之类的。还有jsp文件直接生成对应的Class类。   
加载阶段完成之后，虚拟机外部的二进制字节流就按照虚拟机所需的格式存储在方法区之中，方法区中的数据存储格式由虚拟机实现自行定义，虚拟机规范未规定此区域的具体数据结构。然后在内存中实例化一个java.lang.Class类的对象（并没有明确规定是在java堆中，在HotSpot虚拟机中，Class对象是被放在了方法区里面，虽然它也是对象）  
  
**验证**  
  
验证是连接阶段的第一步，这一阶段是为了确保Class文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。   
在验证阶段大致上会完成下面4个阶段的检验动作：文件格式校验、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。   
1）文件格式校验   
要验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前版本的虚拟机处理。这个部分是直接操作字节流的，通过验证以后字节流就进入到内存中进行存储，之后的动作也就基于方法区的存储结构进行了，不再直接操作字节流。   
2）元数据验证   
这要做的是对字节码描述的信息进行语义分析，以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求。对类的元数据信息进行语义校验，这些数据主要描述数据的数据，通俗来说是描述代码之间的关系的数据。如子父类之间的关系等等。。。   
3）字节码验证   
这一步是最复杂的，主要目的是通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。这里校验的是类的方法体。   
4）符号引用验证   
最后一阶段的校验发生在虚拟机将符号引用转化成直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三个阶段———解析阶段中发生。符号引用验证可以看做是对类自身以外（常量池中的各种符号引用）的信息进行匹配性校验。它的目的是确保解析动作能正常执行，如果无法正常通过符号引用验证，那么将会抛出一个java.lang.IncompatibleClassChangeError异常的子类，如常见的NoSuchMethodError、IllegalAccessError。  
  
**准备**  
  
准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。要注意的是，在这个阶段进行内存分配的只有static变量，并不包括实例变量，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。设置的初始值通常情况下是数据类型的零值，但是如果类变量被设置成final了，编译时会在字段属性表中生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue设置。  
  
**解析**  
  
解析阶段是虚拟机将常量池的符号引用替换成直接引用的过程。   
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。   
直接引用：直接指向目标的指针、相对偏移量或是一个能间接到目标的句柄。   
解析动作主要针对类或接口、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类符号引用进行，分别对应于常量池的CONSTANT\_Class\_info、CONSTANT\_Fieldref\_info、CONSTANT\_Methodred\_info、CONSTANT\_InterfaceMethodref\_info、CONSTANT\_MethodType\_info、CONSTANT\_MethodHandle\_info和CONSTANT\_InvokeDynamic\_info7种常量类型。   
1）类或接口的解析   
假设有类D，如果要解析一个符号引用N成类或接口C的直接引用：   
如果C不是一个数组类型，虚拟机会把代表N的全限定名传递给D的类加载器去加载类C。   
如果C是一个数组类型，并且数组的元素类型为对象，N的描述符类似”\[Ljava/lang/Integer”,会按照上一条规则加载，如果N的描述符类似”java.lang.Integer”,那就会由虚拟机生成一个代表此数组维度和元素的数组对象。   
在完成前还要进行符号引用验证，确认D是否具备对C的访问权限。不具备则抛出”IllegalAccessError”异常。   
2）字段解析   
首先对字段表class\_index项中索引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。如果解析成功，那将这个字段所属的类或接口用C表示，虚拟机还会对C进行后续字段的搜索。   
如果C本身就包含有相配的，或与C的相关的有继承关系的进行递归查找到有相配的，返回直接引用。返回成功还有权限验证。   
找不到则抛出NoSuchFieldError异常。   
3）类方法解析   
类方法解析和字段解析差不多，同样的查不到也会抛出NoSuchMethodError。   
4）接口方法解析   
从接口方法表class\_index项中索引中找，如果找到的C是个类而不是接口，直接抛异常IncompatibleClassChangeError。   
后面的找法和类方法解析基本一样。找不到抛异常NoSuchMethodError。   
此外，接口中的方法因为都是默认public修饰的，所以不存在访问权限的问题，自然也不会抛出IllegalAccessError异常。  
  
**初始化**  
  
类初始化阶段是类加载的最后一步，初始化阶段是执行类构造器<clinit>()方法的过程。   
<clinit>()方法是有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。   
虚拟机会保证一个类的()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，那么只会有一个线程去执行这个类的<clinit>()方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行<clinit>()方法完毕。如果一个类的<clinit>()方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞。

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