Java类加载器探究（java类加载器原理）
2022-03-01
写在最前
Java 类加载器(ClassLoader)它是用来加载 Class 的。它负责将 Class 的字节码形式转换成内存形式的 Class 对象。根据一个类的全限定名来读取此类的二进制字节流到 JVM 中，然后转换为一个与目标类对应的 java.lang.Class 对象实例。
对于任意一个类，都必须由加载它的类加载器和这个类本身一起共同确立其在 Java 虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。
类的生命周期
Java 类加载需要经历以下 7 个过程：
由于 Java 的跨平台性，经过编译的 Java 源程序并不是一个可执行程序，而是一个或多个类文件。当 Java 程序需要使用某个类时，JVM 会确保这个类已经被加载、连接（验证、准备和解析）和初始化。
加载
加载是类加载的第一个过程，在这个阶段，将完成以下三件事情：
- 通过一个类的全限定名获取该类的二进制流。
- 将该二进制流中的静态存储结构转化为方法去运行时数据结构。
- 在内存中生成该类的 Class 对象，作为该类的数据访问入口。
验证
验证的目的是为了确保 Class 文件的字节流中的信息不回危害到虚拟机。在该阶段主要完成以下四种验证:
- 文件格式验证：验证字节流是否符合 Class 文件的规范，如主次版本号是否在当前虚拟机范围内，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，如这个类是否有父类，是否集成了不被继承的类等。
- 字节码验证：整个验证过程中最复杂的一个阶段，通过验证数据流和控制流的分析，确定程序语义是否正确，主要针对方法体的验证。如：方法中的类型转换是否正确，跳转指令是否正确等。
- 符号引用验证：这个动作在后面的解析过程中发生，主要是为了确保解析动作能正确执行。
准备
准备阶段是为类的静态变量分配内存并将其初始化为默认值，这些内存都将在方法区中进行分配。准备阶段不分配类中的实例变量的 内存，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。
/** * 在准备阶段 value 初始值为 0。 * 在初始化阶段才会变为 123 。 */
public static int value=123;
解析
该阶段主要完成符号引用到直接引用的转换动作。
初始化
到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码。为类的静态变量赋予正确的初始值。
- 如果类存在直接的父类并且这个类还没有被初始化，那么就先初始化父类；
- 如果类中存在初始化语句，就依次执行这些初始化语句。
使用
new出对象程序中使用。
卸载
执行垃圾回收。
类加载器分类
JVM 中内置了三个重要的 ClassLoader，分别是 BootstrapClassLoader、ExtensionClassLoader 和 AppClassLoader。
启动类加载器
Bootstrap ClassLoader：负责加载 JVM 运行时核心类，这些类位于 JAVA_HOME\jre\lib (JAVA_HOME 代表 JDK 的安装目录，下同) 文件夹中，如 rt.jar(runtime)、i18n.jar 等，这些是 Java 的核心类。这个 ClassLoader 比较特殊，它是由 c/c++ 代码实现的，我们将它称之为「根加载器」。
我们常用内置库 java.xxx. 都在 rt.jar 中，比如：java.util.、java.io.、java.nio.、java.lang. 等。
扩展类加载器
Extension ClassLoader：负责加载 JVM 扩展类，该加载器由 sun.misc.Launcher$ExtClassLoader 实现，它负责加载 JAVA_HOME\jre\lib\ext 目录中，或者由 java.ext.dirs 系统变量指定的路径中的所有类库（如 javax.* 开头的类），开发者可以直接使用扩展类加载器。
应用程序类加载器
Application ClassLoader：面向我们用户的加载器，该类加载器由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现，它负责加载用户类路径（ClassPath）所指定的类，开发者可以直接使用该类加载器。
自定义类加载器
因为系统的 ClassLoader 只会加载指定目录下的 class 文件，如果你想加载自己的 class 文件,那么就可以自定义一个ClassLoader。而且我们可以根据自己的需求，对 class 文件进行加密和解密。
双亲委派机制
某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，子加载器才会尝试自己去加载。
模式优势
- Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子类 ClassLoader 再加载一次。
- 考虑到安全因素，Java 核心 Api 中定义类型不会被随意替换，假设通过网络传递一个名为 java.lang.Integer 的类，通过双亲委托模式传递到启动类加载器，而启动类加载器在核心 Java API 发现这个名字的类，发现该类已被加载，并不会重新加载网络传递的过来的 java.lang.Integer，而直接返回已加载过的 Integer.class，这样便可以防止核心API库被随意篡改。
打破双亲委托机制的案例
Java默认是双亲委托机制，当然开发中也有很多打破双亲行为的案例，比如：
- Tomcat 可以加载自己目录下的 class 文件，并不会传递给父类的加载器。
- Java 的 SPI，发起者是 BootstrapClassLoader，BootstrapClassLoader 已经是最上层的了。它直接获取了 AppClassLoader 进行驱动加载，和双亲委派是相反的。
JVM 中对象的创建过程
1、拿到内存创建指令
当虚拟机遇到内存创建的指令的时候（new 类名），来到了方法区，找根据 new 的参数在常量池中定位一个类的符号引用。
2、检查符号引用
检查该符号引用有没有被加载、解析和初始化过，如果没有则执行类加载过程，否则直接准备为新的对象分配内存。
3、分配内存
虚拟机为对象分配内存（堆）分配内存分为指针碰撞和空闲列表两种方式。
指针碰撞
所有的存储空间分为两部分，一部分是空闲，一部分是占用，需要分配空间的时候，只需要计算指针移动的长度即可。
空闲列表
虚拟机维护了一个空闲列表，需要分配空间的时候去查该空闲列表进行分配并对空闲列表做更新。可以看出，内存分配方式是由 Java堆是否规整决定的，Java 堆的规整是由垃圾回收机制来决定的。
4、初始化
分配完内存后要对对象的头（Object Header）进行初始化，这些信息包括：该对象对应类的元数据、该对象的GC代、对象的哈希码。
抽象数据类型默认初始化为 null，基本数据类型为0，布尔为 false…
5、调用对象的初始化方法
也就是执行构造方法。