0032 Java学习笔记-类加载机制-初步

JVM虚拟机

• Java虚拟机有自己完善的硬件架构(处理器、堆栈、寄存器等)和指令系统
• Java虚拟机是一种能运行Java bytecode的虚拟机
• JVM并非专属于Java语言，只要生成的编译文件能匹配JVM对载入编译文件格式要求，任何语言都可以交由JVM运行，比如Scala、Groovy、Fantom等，见Java虚拟机维基百科
• JVM虚拟机除了Sun开发的HotSpot外，还有BEA、IBM、微软、等公司都有开发。见《深入理解Java虚拟机(第二版)》
• 查看自己用的JVM：cmd->java -version。我的是“Java HotSpot 64-Bit Server VM(build 25.92-b14 mixed mode)”。

JVM和类

• 当调用java命令运行一个java程序时，就启动了一个Java虚拟机进程，不论该程序多么复杂，占用多大的内存，始终处于该进程中
• JVM进程合适终止？
  • 程序运行结束
  • 程序执行过程中，遇到未捕获的异常或者错误
  • 程序运行中调用了System.exit()或者Runtime.getRuntime().exit()，退出了虚拟机
  • 程序所在平台强制结束了JVM进程
• 虚拟机何时加载一个类？
  • 第一次使用该类时
  • 预加载

类的加载、连接、初始化

• 当系统要使用某个类的时候，会将该类初始化，初始化依次包括加载、连接、初始化三步，一般说类的加载或类的初始化就包含了这三个步骤。
• 类的加载
  • 概念：类加载器将.class字节码文件读入内存，并创建一个对应的java.lang.Class对象。加载进内存的每个类都有至少一个与之对象的Class对象
  • 类加载器有哪些？
    • Bootstrap ClassLoader：根类加载器，只有这个加载器不是用java语言写的；并且只有这个加载器不是ClassLoader的子类的实例
    • Extension ClassLoader：扩展类加载器
    • System ClassLoader：系统类加载器
    • 自定义类加载器：继承ClassLoader抽象类
  • 可以从哪些地方加载.class字节码文件？
    • 来源于本地文件系统
    • 来自于jar包中
    • 通过网络加载class文件
    • 把一个Java源文件动态编译，并执行加载。这个不懂？
• 类的连接
  • 概念：负责把二进制数据合并到JRE中
  • 验证阶段：验证被加载的类是否具有正确的内部结构，并和其他类协调一致
  • 准备阶段：为类变量分配内存，并设置默认初始值
  • 解析阶段：将类的二进制数据中的符号引用替换为直接引用
• 类的初始化
  • 类的初始化，主要是对类变量的初始化
  • 如果这个类还没有被加载和连接，那么先加载并连接。这个主要是针对父类
  • 如果这个类的直接父类还没有初始化，那就先初始化其父类
  • 依次执行类中的初始化语句
  • 因此最先被初始化的类总是java.lang.Object。参见：0023 Java学习笔记-面向对象-初始化代码块
• JVM在何时初始化一个类
  • 一般说来，在JVM首次使用一个类时，对该类给予初始化，具体包含以下六种情况
    • 创建一个类的实例时：new操作符；反射；反序列化
    • 调用一个类的类方法
    • 访问一个类或接口的类变量
    • 用反射方式来强制创建一个类的Class对象：Class.forName("className")；注意ClassLoader的loadClass()方法只会加载而不会初始化该类
    • 某个类的子类被初始化时，该类也会被初始化
    • 直接用java.exe运行某个主类，先初始化该主类。不懂？
  • 不会初始化的情况
    • 宏变量：static final变量，并且能在编译阶段就确定它的值。一个类使用另一个类的宏变量，另一个类不会被初始化。
    • 示例代码01：访问宏变量不会初始化它所在的类

示例代码01：访问宏变量不会初始化它所在的类

package testpack;
public class Test1{
    public static void main(String[] args){
       System.out.println(A.num);  //输出8，没有输出“A类被初始化”，A类没有被初始化
       System.out.println(B.num);  //输出“B类被初始化”；21；B类被初始化
    }
}
class A{
	static{
		System.out.println("A类被初始化");
	}
	public static final int num=8;  //num的值在编译阶段就能确定下来
}
class B{
	static{
		System.out.println("B类被初始化");
	}
	public static final int num=8+Integer.valueOf(13); //num的值不能在编译阶段确定下来
}

类的加载器

• 如何标识一个被载入JVM的类？
  • 类名+包名+类加载器名
• 类加载器的层次结构
  • Bootstrap ClassLoader：根类加载器，
    • 没有父加载器；由C++写成，其他加载器都是Java写成；
    • 负责加载Java核心类库；也就是系统属性sun.boot.class.path的值表示的路径下的包；
    • (HotSpot？)可以在java.exe中用-D参数指定系统属性sun.boot.class.path的值，从而加载指定的附加类；
    • 见示例02：获取根类加载器加载的核心类库
  • Extension ClassLoader：扩展类加载器
    • 没有父加载器(实际上就是根类加载器？)；由Java写成，是ClassLoader的子类；
    • 负责加载扩展目录JAR包中的类，即系统属性java.ext.dirs或者%JAVA_HOME%/jre/lib/ext；
    • 因此可以把自己开发的类，打包成JAR包，放在该目录下
    • 见示例03：扩展类加载器的加载目录，父加载器
  • System ClassLoader：系统类加载器
    • 父加载器是扩展类加载器；由Java写成，是ClassLoader的子类；
    • 也是用户自定义的类加载器的默认父加载器，如果不特别指定的话。
    • 负责加载系统属性java.class.path、系统CLASSPATH环境变量指定的目录中的类；
    • Java命令的-classpath参数可以临时指定CLASSPATH的路径
    • 示例04：系统类加载器的加载路径
  • 自定义类加载器：
    • 继承ClassLoader抽象类。
    • 默认的父加载器是系统类加载器；在自定义的时候，可以在一个方法中指定。见java的类加载器ClassLoader
  • 上面说的父加载器，并不是类的继承关系，而是加载器间实例间的关系，就是说在一个加载器中可以定义它的父加载器。

示例代码02：根类加载器加载的核心类库

package testpack;
import java.net.URL;
public class Test1{
    public static void main(String[] args)throws ClassNotFoundException{
       URL[] urls=sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs(); //获取根类加载器加载的全部URL数组
       for (int i=0;i<urls.length;i++){
    	   System.out.println(urls[i].toExternalForm());
       }
       System.out.println("-------------下面是系统属性(sun.boot.class.path)的值---------------");
       System.out.println(System.getProperty("sun.boot.class.path"));
    }
}

输出：

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/resources.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/rt.jar //核心类库java.lang.*位于该jar包中

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/sunrsasign.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/jsse.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/jce.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/charsets.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/jfr.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/classes

-------------下面是系统属性(sun.boot.class.path)的值---------------

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/resources.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/rt.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/sunrsasign.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/jsse.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/jce.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/charsets.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/lib/jfr.jar

file:/C:/Java/jdk1.8.0_92/jre/classes

示例03：扩展类加载器的加载目录，父加载器

package testpack;
public class Test1 {
    public static void main(String[] args){
    	ClassLoader systemLoader=ClassLoader.getSystemClassLoader();   //获取系统类加载器
    	System.out.println("这是系统类加载器： "+systemLoader);        //输出系统类加载器
    	ClassLoader extensionLoader=systemLoader.getParent();          //获取扩展类加载器
    	System.out.println("这是扩展类加载器： "+extensionLoader);     //输出扩展类加载器
    	System.out.println("扩展类的父加载器： "+extensionLoader.getParent());  //获取扩展类加载器的父加载器null
    	System.out.println("扩展类的加载路径： "+System.getProperty("java.ext.dirs"));  //获取系统属性java.ext.dirs的值
    }
}

输出：

这是系统类加载器： sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93 //说明系统类加载器是AppClassLoader的实例

这是扩展类加载器： sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@15db9742 //说明扩展类加载器是ExtClassLoader的实例

扩展类的父加载器： null //以上二者都是URLClassLoader的实例

扩展类的加载路径： C:\Java\jdk1.8.0_92\jre\lib\ext;C:\windows\Sun\Java\lib\ext

示例04：系统类加载器的加载路径

package testpack;

import java.io.IOException;
import java.net.URL;
import java.util.Enumeration;
import java.lang.ClassLoader;

public class Test1 {
    public static void main(String[] args)throws IOException{
     ClassLoader systemLoader=ClassLoader.getSystemClassLoader();  //获取系统类加载器
     System.out.println("系统类加载器： "+systemLoader);           //输出系统类加载器
     Enumeration<URL> eml=systemLoader.getResources("");           //遍历其加载路径
     while(eml.hasMoreElements()){
         System.out.println(eml.nextElement());
     }
     System.out.println("系统属性java.class.path的值： "+System.getProperty("java.class.path"));
    }
}

输出：

系统类加载器： sun.misc.Launcher$AppClassLoader@73d16e93

file:/D:/JavaWorkspace/Test/bin/

系统属性java.class.path的值： D:\JavaWorkspace\Test\bin

类的加载机制

• 全盘负责制：
  • 当一个类加载器加载一个类时，该类依赖和引用的其他类，也有这个类加载器负责
• 父类委托：
  • 先让父加载器加载这个类，如果加载不了，再从自己的类路径中加载。不懂？，一般说来，不同的加载器的加载路径都不同吗？
• 缓存机制：
  • 要使用一个类时，先从缓存中查找，如果已经有了，就不另行加载，直接返回；如果没有，再加载

类加载器的8个步骤

• 要加载的类是否已被加载？
  • 否
    • 如果父类加载器不存在，那么请求使用根类加载器加载
      • 成功：返回Class对象
      • 失败：抛出ClassNotFoundException
    • 如果父类加载器存在，请求使用父加载器加载
      • 成功：返回Class对象
      • 失败：当前类加载器载入类
        • 当前类寻找加载
          • 成功：返回Class对象
          • 失败：抛出ClassNotFoundException
  • 是：返回其Class对象
• 总的来说，先在缓存中找；再让父加载器加载，一直到没有父加载器，就用根加载器加载，如果父加载器失败，那么自己加载，还失败，那就抛出异常：ClassNotFoundException

自定义类加载器

• 继承结构
• java.lang.Object
  • java.lang.ClassLoader
    • java.security.SecureClassLoader
      • java.net.URLClassLoader
        • sun.misc.Launcher$ExtClassLoader //扩展类加载器就是这个类的实例
        • sun.misc.Launcher$AppClassLoader //系统类加载器就是这个类的实例
• 所有的类加载器中，除了根加载器外，都是ClassLoader子类的实例。
• ClassLoader类包含了一些protected和static方法
• ClassLoader的主要方法：
  • protected Class<?> loadClass(String name,boolean resolve);
    • 根据指定名称加载类，返回指定类的Class对象
    • 自定义类加载器时，最好不要重写该方法
    • 执行步骤：
      • 用findLoadedClass(String)检查是否已加载
      • 在父加载器上调用loadClass()方法，若父加载器为null，则用根加载器加载
      • 用findClass(String)查找类
  • protected Class<?> findClass(String name);
    • 根据名称查找类
    • 自定义类加载器时，一般只重写这个方法
  • protected final Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
    • 将指定的字节码文件读入byte数组，转换为Class对象
    • final，不可重写
  • protected final Class<?> findSystemClass(String name)
    • 从本地文件系统装入字节码文件
  • static ClassLoader getSystemClassLoader()
    • 返回系统类加载器
  • final ClassLoader getParent()
    • 返回该加载器的父加载器
    • final，不可重写
  • protected final void resolveClass(Class<?> c)
    • 链接指定的类c
    • 不懂？
  • protected final Class<?> findLoadedClass(String name)
    • 如果已经加载了名为name的类，则返回其Class实例

其他

• 关于类加载器实例、类加载器实例的类、Class对象、普通类、普通类的对象
  • 简单的说，加载器是实例，他们的类有AppClassLoader和ExtClassLoader，都是URLClassLoader的子类
  • ExtClassLoader类的实例就是扩展类加载器，ExtClassLoader自身在加载的时候也有Class对象
  • AppClassLoader类的实例就是系统类加载器，AppClassLoader自身在加载的时候也有Class对象
  • ExtClassLoader和AppClassLoader二者没有继承关系，只是前者的实例是后者的实例的父加载器
  • 系统类加载器，加载一个普通类，创建对应的Class对象，连接，初始该普通类，再创建实例
  • 看下面的示例代码
• 什么情况下需要自定义类加载器？见JVM——自定义类加载器 CSDN
• 参考：深入探讨Java类加载器 IBM 成富

package testpack;
public class Test1 {
    public static void main(String[] args){
    	A a=new A();          //创建普通类A的实例a
    	a.show();             //调用a的show()方法
    	ClassLoader cl=a.getClass().getClassLoader(); //通过实例a得到A类的Class对象，再获得该Class对象的加载器
    	System.out.println("实例a的类A的Class对象的加载器是： "+cl);  //输出加载器，是AppClassLoader类的实例
    	Class appClazz=cl.getClass();  //通过系统类加载器实例获得它的类的Class对象
    	while(appClazz!=null){
    		System.out.println(appClazz);  //输出该Class对象
    		appClazz=appClazz.getSuperclass();   //获得这个Class对象的父类的Class对象，一直到Object没有父类
    	}
    }
}
class A{
	public void show(){
		System.out.println("这是A类的实例");
	}
}

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参考资料：

• 分析AppClassLoader,ExtClassLoader 和URLClassLoader 的关系 CSDN
• 类加载器的父委托机制 iteye
• Java虚拟机 维基百科