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Java类加载机制

Java程序通过编译器javac后变成.class字节流文件,类加载器就将.class加载到JVM中。

类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中,将其放在运行时数据区的方法区内,然后在堆区创建一个java.lang.Class对象,用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象,Class对象封装了类在方法区内的数据结构,并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它,JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它,如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误,类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误(LinkageError错误)如果这个类一直没有被程序主动使用,那么类加载器就不会报告错误。

1.类加载的过程

JVM将类的加载分为3个步骤:

1、装载(Load)

2、链接(Link)

3、初始化(Initialize)

其中 链接(Link)又分3个步骤,如下图所示:

类加载过程

一 装载:查找并加载类的二进制数据到内存中(查找和导入Class文件)

加载是类加载过程的第一个阶段,在加载阶段,虚拟机需要完成以下三件事情:
1、通过一个类的全限定名来获取其定义的二进制字节流。

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Java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象,作为对方法区中这些数据的访问入口。
相对于类加载的其他阶段而言,加载阶段(准确地说,是加载阶段获取类的二进制字节流的动作)是可控性最强的阶段,因为开发人员既可以使用系统提供的类加载器来完成加载,也可以自定义自己的类加载器来完成加载。

加载阶段完成后,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,而且在Java堆中也创建一个java.lang.Class类的对象,这样便可以通过该对象访问方法区中的这些数据。

二 链接(分3个步骤)

1、验证:确保被加载的类的正确性

验证是连接阶段的第一步,这一阶段的目的是为了确保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。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作:

文件格式验证:验证字节流是否符合Class文件格式的规范;例如:是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。

元数据验证:对字节码描述的信息进行语义分析(注意:对比javac编译阶段的语义分析),以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求;例如:这个类是否有父类,除了java.lang.Object之外。

字节码验证: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。

符号引用验证:确保解析动作能正确执行。

2、准备:为类的静态变量分配内存,并将其初始化为默认值

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,这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意:

1、这时候进行内存分配的仅包括类变量(static),而不包括实例变量,实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。

2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值(如0、null、false等),而不是Java代码中被显式地赋予的值。
如:public static int value = 3; 那么变量value在准备阶段过后的初始值为0,而不是3,因为这时候尚未开始执行任何Java方法,而把value赋值为3的指令是在程序编译后,存放于类构造器()方法之中的,所以把value赋值为3的动作将在初始化阶段才会执行。

3、解析:把类中的符号引用转换为直接引用

解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程,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、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标,可以是任何字面量。 直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

三 初始化

这是类加载机制的最后一步,在这个阶段,java程序代码才开始真正执行。我们知道,在准备阶段已经为类变量赋过一次值。在初始化阶端,程序员可以根据自己的需求来赋值了。一句话描述这个阶段就是执行类构造器< clinit >()方法的过程。

在初始化阶段,主要为类的静态变量赋予正确的初始值,JVM负责对类进行初始化,主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式:

①声明类变量是指定初始值

②使用静态代码块为类变量指定初始值

JVM初始化步骤

1、假如这个类还没有被加载和连接,则程序先加载并连接该类

2、假如该类的直接父类还没有被初始化,则先初始化其直接父类

3、假如类中有初始化语句,则系统依次执行这些初始化语句

类初始化时机:只有当对类的主动使用的时候才会导致类的初始化,类的主动使用包括以下六种:

1.创建类的实例,也就是new的方式
2.访问某个类或接口的静态变量,或者对该静态变量赋值
3.调用类的静态方法
4.反射(如 Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”))
5.初始化某个类的子类,则其父类也会被初始化
6.Java虚拟机启动时被标明为启动类的类( JavaTest),直接使用 java.exe命令来运行某个主类

类加载器

类加载器.jpeg
它们之间是组合关系不是继承。 1、Java语言系统自带有三个类加载器:
Bootstrap ClassLoader :启动类加载器,由C++语言实现。最顶层的加载器,主要加载核心类库,也就是我们环境变量下面%JRE_HOME%\lib下的rt.jar、resources.jar、charsets.jar和class等。

Extention ClassLoader :扩展的类加载器,加载目录%JRE_HOME%\lib\ext目录下的jar包和class文件。

Appclass Loader:应用程序类加载器,加载当前应用程序要加载的所有类。

自定义加载器

创建一个自定义加载器有两种方法
(1)遵守双亲委派模型:继承ClassLoader,重写findClass()方法。

(2)破坏双亲委派模型:继承ClassLoader,重写loadClass()方法。

通常我们推荐采用第一种方法自定义类加载器,最大程度上的遵守双亲委派模型。
我们看一下实现步骤

(1)创建一个类继承ClassLoader抽象类

(2)重写findClass()方法

(3)在findClass()方法中调用defineClass()

3、双亲委派原则

指当一个类加载器收到类加载请求时,会先交给其父类加载器去完成,因此最终加载请求都会传递到顶层的启动类加载器,只有当父类加载器无法完成加载任务时,才会逐层向下尝试执行加载请求。

采用双亲委派的一个好处是比如加载位于rt.jar包中的类java.lang.Object,不管是哪个加载器加载这个类,最终都是委托给顶层的启动类加载器进行加载,这样就保证了使用不同的类加载器最终得到的都是同样一个Object对象。双亲委派原则归纳一下就是:

1.可以避免重复加载,父类已经加载了,子类就不需要再次加载
2.更加安全,很好的解决了各个类加载器的基础类的统一问题,如果不使用该种方式,那么用户可以随意定义类加载器来加载核心api,会带来相关隐患。