任何程序都需要加載到內(nèi)存才能與CPU進(jìn)行交流

同理, 字節(jié)碼.class文件同樣需要加載到內(nèi)存中，才可以實(shí)例化類

ClassLoader的使命就是提前加載.class 類文件到內(nèi)存中

在加載類時(shí)，使用的是Parents Delegation Model(溯源委派加載模型)

Java的類加載器是一個(gè)運(yùn)行時(shí)核心基礎(chǔ)設(shè)施模塊，主要是在啟動(dòng)之初進(jìn)行類的加載、鏈接、初始化

讀取類文件產(chǎn)生二進(jìn)制流，并轉(zhuǎn)為特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，初步校驗(yàn)cafe babe魔法數(shù)、常量池、文件長(zhǎng)度、是否有父類等，然后創(chuàng)建對(duì)應(yīng)類的java.lang.Class實(shí)例

包括驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析三個(gè)步驟

驗(yàn)證是更詳細(xì)的校驗(yàn)，比如final是否合規(guī)、類型是否正確、靜態(tài)變量是否合理等

準(zhǔn)備階段是為靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并設(shè)定默認(rèn)值，解析類和方法確保類與類之間的相互引用正確性，完成內(nèi)存結(jié)構(gòu)布局第三步，Init 階段執(zhí)行類構(gòu)造器 方法，如果賦值運(yùn)算是通過(guò)其他類的靜態(tài)方法來(lái)完成的，那么會(huì)馬上解析另外一個(gè)類，在虛擬機(jī)棧中執(zhí)行完畢后通過(guò)返回值進(jìn)行賦值

類加載是一個(gè)將.class字節(jié)碼文件實(shí)例化成Class對(duì)象并進(jìn)行相關(guān)初始化的過(guò)程。

在這個(gè)過(guò)程中，JVM會(huì)初始化繼承樹上還沒有被初始化過(guò)的所有父類，并且會(huì)執(zhí)行這個(gè)鏈路上所有未執(zhí)行過(guò)的靜態(tài)代碼塊、靜態(tài)變量賦值語(yǔ)句等。

某些類在使用時(shí)，也可以按需由類加載器進(jìn)行加載。

全小寫的class是關(guān)鍵字，用來(lái)定義類

而首字母大寫的Class,它是所有class的類

這句話理解起來(lái)有難度，類已經(jīng)是現(xiàn)實(shí)世界中某種事物的抽象，為什么這個(gè)抽象還是另外一個(gè)類Class的對(duì)象?

示例代碼如下:

● 第1處說(shuō)明:

Class類下的newInstance()在JDK9中已經(jīng)置為過(guò)時(shí)，使用getDeclaredConstructor().newInstance()的方式

著重說(shuō)明一下new與newInstance的區(qū)別

new是強(qiáng)類型校驗(yàn)，可以調(diào)用任何構(gòu)造方法，在使用new操作的時(shí)候，這個(gè)類可以沒有被加載過(guò)

而Class類下的newInstance是弱類型，只能調(diào)用無(wú)參構(gòu)造方法

如果沒有默認(rèn)構(gòu)造方法，就拋出InstantiationException異常;

如果此構(gòu)造方法沒有權(quán)限訪問(wèn)，則拋 IllegalAccessException異常

Java 通過(guò)類加載器把類的實(shí)現(xiàn)與類的定義進(jìn)行解耦，所以是實(shí)現(xiàn)面向接口編程、依賴倒置的必然選擇。

● 第2處說(shuō)明:

可以使用類似的方式獲取其他聲明，如注解、方法等

● 第3處說(shuō)明: private 成員在類外是否可以修改?

通過(guò)setccessible(true),即可使用Class類的set方法修改其值

如果沒有這一步,則拋出如下異常:

類加載器是如何定位具體的類文件并讀取的呢?

在類加載器家族中存在著類似人類社會(huì)的權(quán)力等級(jí)制度

最高層的Bootstrap

在JVM啟動(dòng)時(shí)創(chuàng)建的,通常由與操作系統(tǒng)相關(guān)的本地代碼實(shí)現(xiàn),是最根基的類加載器,負(fù)責(zé)裝載最核心的Java類,比如Object、System、 String ,Java運(yùn)行時(shí)的rt.jar等jar包

JDK9的Platform ClassLoader

負(fù)責(zé)加載libext目錄中的，或者java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所以類庫(kù);
加載一些擴(kuò)展的系統(tǒng)類，比如XML、加密、壓縮相關(guān)的功能類等;
JDK9之前是Extension ClassLoader.

第三層 Application ClassLoader

應(yīng)用類加載器，主要是加載用戶定義的CLASSPATH路徑下的類

第二、三層類加載器為Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，用戶也可以自定義類加載器

查看本地類加載器的方式如下:

在JDK8環(huán)境中，執(zhí)行結(jié)果如下

AppClassLoader的Parent為Bootstrap,它是通過(guò)C/C++實(shí)現(xiàn)的，并不存在于JVM體系內(nèi),所以輸出為 null

低層次的當(dāng)前類加載器，不能覆蓋更高層次類加載器已經(jīng)加載的類

如果低層次的類加載器想加載一個(gè)未知類，要非常禮貌地向上逐級(jí)詢問(wèn):“請(qǐng)問(wèn)，這個(gè)類已經(jīng)加載了嗎?”

被詢問(wèn)的高層次類加載器會(huì)自問(wèn)兩個(gè)問(wèn)題

我是否已加載過(guò)此類

如果沒有，是否可以加載此類

只有當(dāng)所有高層次類加載器在兩個(gè)問(wèn)題的答案均為“否”時(shí)，才可以讓當(dāng)前類加載器加載這個(gè)未知類

左側(cè)綠色箭頭向上逐級(jí)詢問(wèn)是否已加載此類，直至Bootstrap ClassLoader,然后向下逐級(jí)嘗試是否能夠加載此類，如果都加載不了，則通知發(fā)起加載請(qǐng)求的當(dāng)前類加載器，準(zhǔn)予加載

在右側(cè)的三個(gè)小標(biāo)簽里，列舉了此層類加載器主要加載的代表性類庫(kù)，事實(shí)上不止于此

通過(guò)如下代碼可以查看Bootstrap 所有已加載類庫(kù)

執(zhí)行結(jié)果

Bootstrap加載的路徑可以追加，不建議修改或刪除原有加載路徑

在JVM中增加如下啟動(dòng)參數(shù)，則能通過(guò)Class.forName正常讀取到指定類，說(shuō)明此參數(shù)可以增加Bootstrap的類加載路徑:

-Xbootclasspath/a:/Users/sss/book/ easyCoding/byJdk11/src

如果想在啟動(dòng)時(shí)觀察加載了哪個(gè)jar包中的哪個(gè)類，可以增加

-XX:+TraceClassLoading

此參數(shù)在解決類沖突時(shí)非常實(shí)用，畢竟不同的JVM環(huán)境對(duì)于加載類的順序并非是一致的

有時(shí)想觀察特定類的加載上下文，由于加載的類數(shù)量眾多，調(diào)試時(shí)很難捕捉到指定類的加載過(guò)程，這時(shí)可以使用條件斷點(diǎn)功能

比如，想查看HashMap的加載過(guò)程，在loadClass處打個(gè)斷點(diǎn)，并且在condition框內(nèi)輸入如圖

類的全限定名和加載這個(gè)類的類加載器的ID

在學(xué)習(xí)了類加載器的實(shí)現(xiàn)機(jī)制后，知道雙親委派模型并非強(qiáng)制模型，用戶可以自定義類加載器，在什么情況下需要自定義類加載器呢?

隔離加載類

在某些框架內(nèi)進(jìn)行中間件與應(yīng)用的模塊隔離，把類加載到不同的環(huán)境
比如，阿里內(nèi)某容器框架通過(guò)自定義類加載器確保應(yīng)用中依賴的jar包不會(huì)影響到中間件運(yùn)行時(shí)使用的jar包

修改類加載方式

類的加載模型并非強(qiáng)制，除Bootstrap外，其他的加載并非一定要引入，或者根據(jù)實(shí)際情況在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行按需進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載

擴(kuò)展加載源

比如從數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)，甚至是電視機(jī)機(jī)頂盒進(jìn)行加載

防止源碼泄露

Java代碼容易被編譯和篡改，可以進(jìn)行編譯加密。那么類加載器也需要自定義，還原加密的字節(jié)碼。

實(shí)現(xiàn)自定義類加載器的步驟

繼承ClassLoader

重寫findClass()方法

調(diào)用defineClass()方法

一個(gè)簡(jiǎn)單的類加載器實(shí)現(xiàn)的示例代碼如下

由于中間件一般都有自己的依賴jar包，在同一個(gè)工程內(nèi)引用多個(gè)框架時(shí)，往往被迫進(jìn)行類的仲裁

按某種規(guī)則jar包的版本被統(tǒng)一指定， 導(dǎo)致某些類存在包路徑、類名相同的情況，就會(huì)引起類沖突，導(dǎo)致應(yīng)用程序出現(xiàn)異常

主流的容器類框架都會(huì)自定義類加載器，實(shí)現(xiàn)不同中間件之間的類隔離，有效避免了類沖突。

“加載”是“類加載”(Class Loading)過(guò)程的第一步1.1 加載的過(guò)程

在加載的過(guò)程中,JVM主要做3件事情

通過(guò)一個(gè)類的全限定名來(lái)獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流(class文件)

在程序運(yùn)行過(guò)程中,當(dāng)要訪問(wèn)一個(gè)類時(shí),若發(fā)現(xiàn)這個(gè)類尚未被加載,并滿足類初始化的條件時(shí)，就根據(jù)要被初始化的這個(gè)類的全限定名找到該類的二進(jìn)制字節(jié)流,開始加載過(guò)程

將這個(gè)字節(jié)流的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

在內(nèi)存中創(chuàng)建一個(gè)該類的java.lang.Class對(duì)象,作為方法區(qū)該類的各種數(shù)據(jù)的訪問(wèn)入口

程序在運(yùn)行中所有對(duì)該類的訪問(wèn)都通過(guò)這個(gè)類對(duì)象,也就是這個(gè)Class對(duì)象是提供給外界訪問(wèn)該類的接口

JVM規(guī)范對(duì)于加載過(guò)程給予了較大的寬松度.一般二進(jìn)制字節(jié)流都從已經(jīng)編譯好的本地class文件中讀取,此外還可以從以下地方讀取

zip包

Jar、War、Ear等String[] str = new String[10];這個(gè)數(shù)組的數(shù)組類型是Ljava.lang.String,而String只是這個(gè)數(shù)組的元素類型

其它文件生成

由JSP文件中生成對(duì)應(yīng)的Class類.

數(shù)據(jù)庫(kù)中

將二進(jìn)制字節(jié)流存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)中,然后在加載時(shí)從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取.有些中間件會(huì)這么做,用來(lái)實(shí)現(xiàn)代碼在集群間分發(fā)

網(wǎng)絡(luò)

從網(wǎng)絡(luò)中獲取二進(jìn)制字節(jié)流.典型就是Applet.

運(yùn)行時(shí)計(jì)算生成

動(dòng)態(tài)代理技術(shù),用PRoxyGenerator.generateProxyClass為特定接口生成形式為"*$Proxy"的代理類的二進(jìn)制字節(jié)流.1.3 類和數(shù)組加載過(guò)程的區(qū)別數(shù)組也有類型,稱為“數(shù)組類型”.如:

當(dāng)程序在運(yùn)行過(guò)程中遇到new關(guān)鍵字創(chuàng)建一個(gè)數(shù)組時(shí),由JVM直接創(chuàng)建數(shù)組類,再由類加載器創(chuàng)建數(shù)組中的元素類型.

而普通類的加載由類加載器創(chuàng)建.既可以使用系統(tǒng)提供的引導(dǎo)類加載器,也可以由用戶自定義的類加載器完成(即重寫一個(gè)類加載器的loadClass()方法)

JVM規(guī)范并未給出類在方法區(qū)中存放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

類完成加載后,二進(jìn)制字節(jié)流就以特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)在方法區(qū)中,但存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是由虛擬機(jī)自己定義的,虛擬機(jī)規(guī)范并沒有指定

JVM規(guī)范并沒有指定Class對(duì)象存放的位置

在二進(jìn)制字節(jié)流以特定格式存儲(chǔ)在方法區(qū)后,JVM會(huì)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的對(duì)象,作為本類的外部訪問(wèn)接口
既然是對(duì)象就應(yīng)該存放在Java堆中,不過(guò)JVM規(guī)范并沒有給出限制,不同的虛擬機(jī)根據(jù)自己的需求存放這個(gè)對(duì)象
HotSpot將Class對(duì)象存放在方法區(qū).

加載階段和鏈接階段是交叉的

類加載的過(guò)程中每個(gè)步驟的開始順序都有嚴(yán)格限制,但每個(gè)步驟的結(jié)束順序沒有限制.也就是說(shuō),類加載過(guò)程中,必須按照如下順序開始: 加載 -> 鏈接 -> 初始化

但結(jié)束順序無(wú)所謂,因此由于每個(gè)步驟處理時(shí)間的長(zhǎng)短不一就會(huì)導(dǎo)致有些步驟會(huì)出現(xiàn)交叉

驗(yàn)證階段比較耗時(shí),它非常重要但不一定必要(因?yàn)閷?duì)程序運(yùn)行期沒有影響),如果所運(yùn)行的代碼已經(jīng)被反復(fù)使用和驗(yàn)證過(guò),那么可以使用-Xverify:none參數(shù)關(guān)閉,以縮短類加載時(shí)間

保證二進(jìn)制字節(jié)流中的信息符合虛擬機(jī)規(guī)范,并沒有安全問(wèn)題

雖然Java語(yǔ)言是一門安全的語(yǔ)言,它能確保程序猿無(wú)法訪問(wèn)數(shù)組邊界以外的內(nèi)存、避免讓一個(gè)對(duì)象轉(zhuǎn)換成任意類型、避免跳轉(zhuǎn)到不存在的代碼行.也就是說(shuō),Java語(yǔ)言的安全性是通過(guò)編譯器來(lái)保證的.

但是我們知道,編譯器和虛擬機(jī)是兩個(gè)獨(dú)立的東西,虛擬機(jī)只認(rèn)二進(jìn)制字節(jié)流,它不會(huì)管所獲得的二進(jìn)制字節(jié)流是哪來(lái)的，當(dāng)然，如果是編譯器給它的，那么就相對(duì)安全，但如果是從其它途徑獲得的，那么無(wú)法確保該二進(jìn)制字節(jié)流是安全的。

通過(guò)上文可知，虛擬機(jī)規(guī)范中沒有限制二進(jìn)制字節(jié)流的來(lái)源，在字節(jié)碼層面上,上述Java代碼無(wú)法做到的都是可以實(shí)現(xiàn)的,至少語(yǔ)義上是可以表達(dá)出來(lái)的,為了防止字節(jié)流中有安全問(wèn)題，需要驗(yàn)證！

文件格式驗(yàn)證

驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范,并且能被當(dāng)前的虛擬機(jī)處理.
本驗(yàn)證階段是基于二進(jìn)制字節(jié)流進(jìn)行的,只有通過(guò)本階段驗(yàn)證,才被允許存到方法區(qū)
后面的三個(gè)驗(yàn)證階段都是基于方法區(qū)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行,不會(huì)再直接操作字節(jié)流.

通過(guò)上文可知，加載開始前，二進(jìn)制字節(jié)流還沒進(jìn)方法區(qū)，而加載完成后，二進(jìn)制字節(jié)流已經(jīng)存入方法區(qū)
而在文件格式驗(yàn)證前，二進(jìn)制字節(jié)流尚未進(jìn)入方法區(qū)，文件格式驗(yàn)證通過(guò)之后才進(jìn)入方法區(qū)
也就是說(shuō)，加載開始后，立即啟動(dòng)了文件格式驗(yàn)證，本階段驗(yàn)證通過(guò)后，二進(jìn)制字節(jié)流被轉(zhuǎn)換成特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)至方法區(qū)中，繼而開始下階段的驗(yàn)證和創(chuàng)建Class對(duì)象等操作
這個(gè)過(guò)程印證了：加載和驗(yàn)證是交叉進(jìn)行的

元數(shù)據(jù)驗(yàn)證

對(duì)字節(jié)碼描述信息進(jìn)行語(yǔ)義分析,確保符合Java語(yǔ)法規(guī)范.public static final int value = 123;準(zhǔn)備階段后 a 的值為 0，而不是 123，要在初始化之后才變?yōu)?123,但若被final修飾的常量如果有初始值,那么在編譯階段就會(huì)將初始值存入constantValue屬性中,在準(zhǔn)備階段就將constantValue的值賦給該字段(此處將value賦為123).4 解析解析階段是虛擬機(jī)將常量池中的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程.5 初始化真正開始執(zhí)行類中定義的Java程序代碼(或者說(shuō)是字節(jié)碼)
初始化階段就是執(zhí)行類構(gòu)造器clinit()的過(guò)程.

字節(jié)碼驗(yàn)證

本階段是驗(yàn)證過(guò)程的最復(fù)雜的一個(gè)階段.
本階段對(duì)方法體進(jìn)行語(yǔ)義分析,保證方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)危害虛擬機(jī)的事件.
字節(jié)碼驗(yàn)證將對(duì)類的方法進(jìn)行校驗(yàn)分析，保證被校驗(yàn)的方法在運(yùn)行時(shí)不會(huì)做出危害虛擬機(jī)的事，一個(gè)類方法體的字節(jié)碼沒有通過(guò)字節(jié)碼驗(yàn)證，那一定有問(wèn)題，但若一個(gè)方法通過(guò)了驗(yàn)證，也不能說(shuō)明它一定安全

符號(hào)引用驗(yàn)證

發(fā)生在JVM將符號(hào)引用轉(zhuǎn)化為直接引用的時(shí)候,這個(gè)轉(zhuǎn)化動(dòng)作發(fā)生在解析階段,對(duì)類自身以外的信息進(jìn)行匹配校驗(yàn),確保解析能正常執(zhí)行.3 準(zhǔn)備完成兩件事情

為已在方法區(qū)中的類的靜態(tài)成員變量分配內(nèi)存

為靜態(tài)成員變量設(shè)置初始值

初始值為0、false、null等

clinit()方法由編譯器自動(dòng)產(chǎn)生，收集類中static{}代碼塊中的類變量賦值語(yǔ)句和類中靜態(tài)成員變量的賦值語(yǔ)句。在準(zhǔn)備階段，類中靜態(tài)成員變量已經(jīng)完成了默認(rèn)初始化，而在初始化階段，clinit()方法對(duì)靜態(tài)成員變量進(jìn)行顯示初始化。

clinit()方法是IDE自動(dòng)收集類中所有類變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)語(yǔ)句塊中的語(yǔ)句合并產(chǎn)生的,IDE收集的順序是由語(yǔ)句在源文件中出現(xiàn)的順序所決定的.public class Test {
static {

i=0;
System.out.println(i);//編譯失敗:"非法向前引用"

}
static int i = 1;

}

靜態(tài)代碼塊只能訪問(wèn)到出現(xiàn)在靜態(tài)代碼塊之前的變量,定義在它之后的變量,在前面的靜態(tài)語(yǔ)句塊可以賦值,但是不能訪問(wèn).

實(shí)例構(gòu)造器init()需要顯示調(diào)用父類構(gòu)造函數(shù),而類的clinit()不需要調(diào)用父類的類構(gòu)造函數(shù),虛擬機(jī)會(huì)確保子類的clinit()方法執(zhí)行前已經(jīng)執(zhí)行完畢父類的clinit()方法.因此在JVM中第一個(gè)被執(zhí)行的clinit()方法的類肯定是java.lang.Object.

如果一個(gè)類/接口中沒有靜態(tài)代碼塊,也沒有靜態(tài)成員變量的賦值操作,那么編譯器就不會(huì)為此類生成clinit()方法.

接口也需要通過(guò)clinit()方法為接口中定義的靜態(tài)成員變量顯示初始化。

接口中不能使用靜態(tài)代碼塊,但仍然有變量初始化的賦值操作,因此接口與類一樣都會(huì)生成clinit()方法.不同的是,執(zhí)行接口的clinit()方法不需要先執(zhí)行父接口的clinit()方法.只有當(dāng)父接口中的靜態(tài)成員變量被使用到時(shí)才會(huì)執(zhí)行父接口的clinit()方法.

虛擬機(jī)會(huì)保證在多線程環(huán)境中一個(gè)類的clinit()方法別正確地加鎖,同步.當(dāng)多條線程同時(shí)去初始化一個(gè)類時(shí)，只會(huì)有一個(gè)線程去執(zhí)行該類的clinit()方法,其它線程都被阻塞等待,直到活動(dòng)線程執(zhí)行clinit()方法完畢.

其他線程雖會(huì)被阻塞,只要有一個(gè)clinit()方法執(zhí)行完,其它線程喚醒后不會(huì)再進(jìn)入clinit()方法.同一個(gè)類加載器下,一個(gè)類型只會(huì)初始化一次.

《碼到成功》

《深入理解Java虛擬機(jī)第二版》