Java类加载机制

Java类加载机制

虚拟机把描述类的数据从Class文件加载到内存中，并对数据进行校验、解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制，这是一种懒加载，即只在使用的时候才进行加载
Java的类加载机制分为加载，链接，初始化三个步骤

加载

通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制流，数据源可以来自本地文件系统，也可以来自网络等，然后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，最后在JVM的方法区中生成一个代表此类的Class对象，作为这个类各种数据的访问入口

链接

链接又分为验证、准备和解析三个阶段

验证

验证是链接的第一步，这一阶段的目的是为了确保Class文件的字节流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，这一阶段主要分为四个步骤

1. 文件格式验证
2. 元数据验证
3. 字节码验证
4. 符号引用验证

准备

正式为类变量分配内存并设置变量的初始值(按成员变量的默认值，如果代码中有指定值，在后面的初始化阶段再进行)，这些变量使用的内存都将在方法区中进行分配，不过要注意的是：如果是被final修饰的变量，我们称之为常量，会在该过程中直接被赋予代码中的指定值，而不是和其他成员变量一样在初始化阶段才赋值

解析

解析是虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程，如果一个符号引用进行多次解析请求，虚拟机中除了invokedynamic指令之外，会对第一次解析的结果进行缓存(在运行时常量池中记录引用，并把常量标识为已解析状态)，从而避免一个符号引用被多次解析，解析动作主要针对的是类或者接口、字段、类方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符7类符号引用

初始化

初始化时类加载的最后一步，是执行()方法的过程，前面的类加载的过程除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制，到了初始化阶段，才是真正执行类中定义的Java程序代码，在前面链接的准备阶段，变量已经赋过一次系统要求的初始值，而在初始阶段，则根据开发者通过程序控制制定的主观计划去初始化类变量和其他资源

会被初始化的情况

• 使用new关键字实例化对象的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化
• 调用类的静态成员(除了final常量)和静态方法(JDK1.8_241环境下测试，并不会初始化该类)
• 使用java.lang.reflect包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化
• 当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行初始化，则需要先触发其父类的初始化
• 当Java程序启动时，用户需要指定一个要执行的主类(包含main()方法的那个类)，虚拟机会先初始化这个类

不会被初始化的例子

• 通过数组定义来引用类
• 调用类的常量(static final)

类加载器

虚拟机的设计团队把类加载阶段中的"通过一个类的全限定名来获取描述此类的二进制字节流"动作放到JVM外部去实现，以便让应用程序自己决定如何去获取所需的类，实现这个动作的代码模块称之为类加载器，只有同一个类加载器加载的类才能会相等，相同的字节码被不同的类加载器架子啊的类不相等

类加载器的分类

类加载器分为四类

• 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)：由C语言编写实现，是虚拟机的一部分，用于加载JAVA_HOME下/lib目录下的类
• 扩展类加载器(Extension ClassLoader)：加载JAVA_HOME下/lib/etx目录中的类
• 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：加载用户类路径上的所指定的类库
• 自定义类加载器(User ClassLoader)

双亲委派模型

从JDK1.2开始，JVM规范就推荐开发者使用双亲委派模型进行类加载，其加载过程如下：

1. 如果一个类加载器收到了类加载请求，他首先不会自己去尝试加载这个类，而是把类加载请求委派给父类加载器去完成
2. 每一层的类加载器都把类加载请求委派给父类加载器，直到所有的类加载请求都应该传递给顶层的启动类加载器
3. 如果顶层的启动类加载器无法完成加载请求，则会由子类加载器尝试去加载，如果连最初发起类加载请求的类加载器也无法完成加载请求时，将会抛出ClassNotFoundException，而不会再调用其子类加载器去进行类加载
   双亲委派模式的类加载机制的优点：Java类和他的类加载器一起具备了一种带优先级的层次关系，越是基础的类，越是被上层的类加载器加载，保证了Java程序的稳定运行

类加载器的源码分析

让我们先看看Java中的类加载器

ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
System.out.println(systemClassLoader);
System.out.println(systemClassLoader.getParent());
System.out.println(systemClassLoader.getParent().getParent());

//对应的输出结果
sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2   //应用类加载器
sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1b6d3586   //扩展类加载器
null                                        //启动类加载器，由于是C语言实现，所以显示null

sun.misc.Launcher.AppClassLoader内部类中的loadClass方法，仅摘取关键代码

public Class<?> loadClass(String var1, boolean var2) throws ClassNotFoundException {
        ...
        return super.loadClass(var1, var2);//调用父类的loadClass方法来加载类
    }
}

ClassLoader.java中的loadClass方法，仅摘取关键代码

protected Class<?> loadClass(String var1, boolean var2) throws ClassNotFoundException {
    ...
    try {
        if (this.parent != null) {
            var4 = this.parent.loadClass(var1, false);  //如果父类依然存在，则调用父类的类加载器
        } else {
            var4 = this.findBootstrapClassOrNull(var1); //如果父类不存在，则调用启动加载器，即BootstrapClassLoader
        }
    } catch (ClassNotFoundException var10) {
    }
    ...
}

自定义类加载器

自定义类加载器代码

class MyClassLoader extends ClassLoader {
    private String rootDir;

    public MyClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        Class<?> c = findLoadedClass(name);//在已加载的类对象中查找该类
        if (c != null) {
            return c;//返回已加载过的类对象
        } else {
            ClassLoader appClassLoader = this.getParent();  //该处获取到的是AppClassLoader
            //c = appClassLoader.loadClass(name); //不使用双亲委派机制，或者可以在自定义类加载器加载不到的情况再调用双亲委派机制
            if (c != null) {
                return c;//在AppClassLoader中成功加载到指定类
            } else {
                byte[] classData = getClassData(name);
                if (classData == null) {
                    throw new ClassNotFoundException();
                } else {
                    c = defineClass(name, classData, 0, classData.length);
                }
            }
        }
        return c;
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        //将com.mango.Test->D:/rootDir/com/mango/Test.class
        String path = rootDir + "/" + className.replace('.', '/') + ".class";
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        FileInputStream stream = null;
        try {
            stream = new FileInputStream(path);
            int len;
            byte[] buffer = new byte[1024];
            while ((len = stream.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, len);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        } finally {
            if (null != stream) {
                try {
                    stream.close();
                } catch (IOException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

测试类代码

MyClassLoader myClassLoader = new MyClassLoader(System.getProperty("user.dir")+"/target/classes");
try {
    Class<?> mango = myClassLoader.findClass("test.Mango");
    System.out.println(mango);
} catch (ClassNotFoundException e) {
    e.printStackTrace();
}

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