前言

類裝載器子系統(tǒng)是JVM中非常重要的部分，是學(xué)習(xí)JVM繞不開的一關(guān)。

一般來說，Java 類的虛擬機(jī)使用 Java 方式如下：

Java 源程序（.java 文件）在經(jīng)過 Java 編譯器編譯之后就被轉(zhuǎn)換成 Java 字節(jié)代碼（.class 文件）。

類加載器負(fù)責(zé)讀取 Java 字節(jié)代碼，并轉(zhuǎn)換成 java.lang.Class類的一個(gè)實(shí)例。
每個(gè)這樣的實(shí)例用來表示一個(gè) Java 類。

通過此實(shí)例的 newInstance()方法就可以創(chuàng)建出該類的一個(gè)對象。

類的生命周期

我們先來看下類的生命周期，包括：

• 加載

• 連接

• 初始化

• 使用

• 卸載

其中加載、連接、初始化屬于類加載過程。

使用是指我們new對象進(jìn)行使用。

卸載指對象被GC垃圾回收掉。

類加載過程

JVM的類加載的過程是通過引導(dǎo)類加載器（bootstrap class loader）創(chuàng)建一個(gè)初始類（initial class）來完成的，這個(gè)類是由JVM的具體實(shí)現(xiàn)指定的。

Class 文件需要加載到虛擬機(jī)中之后才能運(yùn)行和使用，系統(tǒng)加載 Class 類型的文件份如下幾步：

• 加載
• 連接
• 驗(yàn)證
• 準(zhǔn)備
• 解析
• 初始

順序是這樣一個(gè)順序，但是加載階段和連接階段的部分內(nèi)容是交叉進(jìn)行的，加載階段尚未結(jié)束，連接階段可能就已經(jīng)開始了。

下面我們來逐步解析

加載

這里的加載是微觀上的，是類加載過程中的一小步，也是第一步，類加載過程中的加載是宏觀上的。

加載的流程如下：

• 通過全類名獲取定義此類的二進(jìn)制字節(jié)流

• 將字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• 在內(nèi)存中生成一個(gè)代表該類的 Class 對象，作為方法區(qū)這些數(shù)據(jù)的訪問入口

• 簡單來說就是：加載二進(jìn)制數(shù)據(jù)到內(nèi)存 —> 映射成JVM能識(shí)別的結(jié)構(gòu)—> 在內(nèi)存中生成class文件。

• 在虛擬機(jī)規(guī)范上，對這部分的規(guī)定并不具體，所以實(shí)現(xiàn)方式是很靈活的。

加載階段我們可以用自定義類加載器去控制字節(jié)流的獲取方式，是非數(shù)組類的可控性最強(qiáng)的階段，而數(shù)組類型不通過類加載器創(chuàng)建，它由 Java 虛擬機(jī)直接創(chuàng)建。

關(guān)于類加載器是什么，后文再聊。//加入Java開發(fā)交流君樣：756584822一起吹水聊天

連接

連接分為三步，驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析，目的是將上面創(chuàng)建好的Class類合并至JVM中，使之能夠執(zhí)行的過程。

驗(yàn)證

確保class文件中的字節(jié)流包含的信息，符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，保證這個(gè)被加載的class類的正確性，不會(huì)危害到虛擬機(jī)的安全。

準(zhǔn)備

為類中的靜態(tài)字段分配內(nèi)存，并設(shè)置默認(rèn)的初始值，比如int類型初始值是0。

被final修飾的static字段不會(huì)設(shè)置，因?yàn)閒inal在編譯的時(shí)候就分配了。

解析

解析階段的目的，是將常量池內(nèi)的符號引用轉(zhuǎn)換為直接引用的過程。

解析動(dòng)作主要針對類、接口、字段、類方法、接口方法、方法類型等。
如果符號引用指向一個(gè)未被加載的類，或者未被加載類的字段或方法，那么解析將觸發(fā)這個(gè)類的加載（但未必觸發(fā)這個(gè)類的鏈接以及初始化。）

符號引用就是一組符號來描述目標(biāo)，可以是任何字面量。

直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對偏移量或一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄。

舉個(gè)例子：

在程序執(zhí)行方法時(shí)，系統(tǒng)需要明確知道這個(gè)方法所在的位置。

Java 虛擬機(jī)為每個(gè)類都準(zhǔn)備了一張方法表來存放類中所有的方法。

當(dāng)需要調(diào)用一個(gè)類的方法的時(shí)候，只要知道這個(gè)方法在方法表中的偏移量就可以直接調(diào)用該方法了。

通過解析操作符號引用就可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)槟繕?biāo)方法在類中方法表的位置，從而使得方法可以被調(diào)用。

所以，解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號引用替換為直接引用的過程，也就是得到類或者字段、方法在內(nèi)存中的指針或者偏移量。

初始化

初始化就是執(zhí)行類的構(gòu)造器方法，是類加載的最后一步，這一步 JVM才開始真正執(zhí)行類中定義的 Java 程序代碼

這個(gè)方法不需要定義，是javac編譯器自動(dòng)收集類中所有類變量的賦值動(dòng)作和靜態(tài)代碼塊中的語句合并來的。

若該類具有父類，jvm會(huì)保證父類的init()先執(zhí)行，然后在執(zhí)行子類的init()。

對于初始化階段，虛擬機(jī)嚴(yán)格規(guī)范了有且只有 5 種情況下，必須對類進(jìn)行初始化，只有主動(dòng)去使用類才會(huì)初始化類：

• 當(dāng)遇到 new 、getstatic、putstatic或invokestatic這 4 條直接碼指令時(shí)

• 當(dāng)遇到一個(gè)類，讀取一個(gè)靜態(tài)字段(未被final修飾)、或調(diào)用一個(gè)類的靜態(tài)方法時(shí)。

• 當(dāng) JVM執(zhí)行new指令時(shí)會(huì)初始化類。即當(dāng)程序創(chuàng)建一個(gè)類的實(shí)例對象。

• 當(dāng) JVM執(zhí)行 getstatic指令時(shí)會(huì)初始化類。即程序訪問類的靜態(tài)變量(不是靜態(tài)常量，常量會(huì)被加載到運(yùn)行時(shí)常量池)。

• 當(dāng) JVM執(zhí)行 putstatic指令時(shí)會(huì)初始化類。即程序給類的靜態(tài)變量賦值。

• 當(dāng) JVM執(zhí)行invokestatic指令時(shí)會(huì)初始化類。即程序調(diào)用類的靜態(tài)方法。

• 對類進(jìn)行反射調(diào)用時(shí)，如果類沒初始化，需要觸發(fā)其初始化。

初始化一個(gè)類，如果其父類還未初始化，則先觸發(fā)該父類的初始化。

當(dāng)虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)，用戶需要定義一個(gè)要執(zhí)行的主類 (包含 main 方法的那個(gè)類)，虛擬機(jī)會(huì)先初始化這個(gè)類。

MethodHandle 和 VarHandle 可以看作是輕量級的反射調(diào)用機(jī)制，而要想使用這 2 個(gè)調(diào)用， 就必須先使用 findStaticVarHandle 來初始化要調(diào)用的類。

「補(bǔ)充，來自issue745」 當(dāng)一個(gè)接口中定義了 JDK8 新加入的默認(rèn)方法（被 default 關(guān)鍵字修飾的接口方法）時(shí)，如果有這個(gè)接口的實(shí)現(xiàn)類發(fā)生了初始化，那該接口要在其之前被初始化。

類加載器

三大類加載器

了解了類加載過程后，我們來看看類加載器。

類加載器（ClassLoader）用來加載 Java 類到 Java 虛擬機(jī)中。

JVM 中內(nèi)置了三個(gè)重要的 ClassLoader，同時(shí)按如下順序進(jìn)行加載：

• BootstrapClassLoader啟動(dòng)類加載器：最頂層的加載類，由C++實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)加載 %JAVA_HOME%/lib目錄下的核心jar包和類或者或被 -Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的所有類。
• ExtensionClassLoader擴(kuò)展類加載器：主要負(fù)責(zé)加載目錄%JRE_HOME%/lib/ext目錄下的jar包和類，或被 java.ext.dirs 系統(tǒng)變量所指定的路徑下的jar包。
• AppClassLoader 應(yīng)用程序類加載器：面向我們用戶的加載器，負(fù)責(zé)加載當(dāng)前應(yīng)用classpath下的所有jar包和類。
  除了BootstrapClassLoader其他類加載器均由 Java 實(shí)現(xiàn)且全部繼承自java.lang.ClassLoader：

類的加載幾乎是由上述3種類加載器相互配合執(zhí)行的，在必要時(shí)，我們還可以自定義類加載器。

需要注意的是，Java虛擬機(jī)對Class文件采用的是按需加載的方式，也就是說當(dāng)需要使用該類時(shí)才會(huì)將它的Class文件加載到內(nèi)存生成Class對象。

雙親委派模型

概念

每一個(gè)類都有一個(gè)對應(yīng)它的類加載器。在加載類的時(shí)候，是采用的雙親委派模型，即把請優(yōu)求先交給父類處理的一種任務(wù)委派模式。

系統(tǒng)中的類加載器在協(xié)同工作的時(shí)候會(huì)默認(rèn)使用 雙親委派模型 。//加入Java開發(fā)交流君樣：756584822一起吹水聊天

雙親委派模型的理論很簡單，分為如下幾步：

• 即在類加載的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)首先判斷當(dāng)前類是否被加載過。已經(jīng)被加載的類會(huì)直接返回，否則才會(huì)嘗試加載。

• 加載的時(shí)候，首先會(huì)把該請求委派給該父類加載器的 loadClass()處理，因此所有的請求最終都應(yīng)該傳送到頂層的啟動(dòng)類加載器 BootstrapClassLoader 中。
  當(dāng)父類加載器無法處理時(shí)，才由自己來處理。

• AppClassLoader的父類加載器為ExtensionClassLoader ，ExtensionClassLoader 的父類加載器為null，當(dāng)父類加載器為null時(shí)，會(huì)使用啟動(dòng)類加載器BootstrapClassLoader 作為父類加載器。

為什么要使用雙親委派模型

試想一種情況，我們在項(xiàng)目目錄下，手動(dòng)創(chuàng)建了一個(gè)java.lang 包，并在該包下創(chuàng)建了一個(gè)Object，這時(shí)候我們再去啟動(dòng)Java程序，原生Object會(huì)被篡改嗎？當(dāng)然是不會(huì)的！

因?yàn)镺bject類是Java的核心庫類，由BootstrapClassLoader加載，而自定義的java.lang.Object類應(yīng)該是由AppClassLoader來加載。

BootstrapClassLoader先于AppClassLoader進(jìn)行加載，根據(jù)上面的雙親委派模型的概念，我們可以知道，java.lang.Object類已經(jīng)被加載，并且AppClassLoader要加載類之前都要先給其父類過目，所以自己寫的野類是無法撼動(dòng)核心庫類的。

結(jié)論

雙親委派模型保證了Java程序的穩(wěn)定運(yùn)行，可以避免類的重復(fù)加載，也保證了 Java 的核心 API 不被篡改。

源碼分析

雙親委派模型的都集中在java.lang.ClassLoader 的 loadClass()中，相關(guān)代碼如下所示：

private final ClassLoader parent; protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException{synchronized (getClassLoadingLock(name)) {// 首先，檢查請求的類是否已經(jīng)被加載過Class<?> c = findLoadedClass(name);if (c == null) {long t0 = System.nanoTime();try {//父加載器不為空，調(diào)用父加載器loadClass()方法處理if (parent != null) {c = parent.loadClass(name, false);} else {//父加載器為空，使用啟動(dòng)類加載器 BootstrapClassLoader 加載c = findBootstrapClassOrNull(name);}} catch (ClassNotFoundException e) {//拋出異常說明父類加載器無法完成加載請求}if (c == null) {long t1 = System.nanoTime();//自己嘗試加載c = findClass(name);// this is the defining class loader; record the statssun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();}}//加入Java開發(fā)交流君樣：756584822一起吹水聊天if (resolve) {resolveClass(c);}return c;}}

反雙親委派模型

雙親委派模型是Java默認(rèn)的，假如我們不想用雙親委派，我們要怎么辦呢？
我們可以自定義一個(gè)類加載器，除了BootstrapClassLoader其他類加載器均由 Java 實(shí)現(xiàn)且全部繼承自java.lang.ClassLoader。如果我們要自定義自己的類加載器，很明顯需要繼承ClassLoader。

從上面的源碼我們知道，雙親委派模型的都集中在java.lang.ClassLoader 的 loadClass()中，如果想打破雙親委派模型則需要重寫 loadClass() 方法。

如果我們不想打破雙親委派模型，就重寫 ClassLoader類中的 findClass()方法即可，無法被父類加載器加載的類最終會(huì)通過這個(gè)方法被加載。
最后，祝大家早日學(xué)有所成，拿到滿意offer

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的2021年度最全面JVM虚拟机，类加载过程与类加载器的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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