深入探究jvm之类装载器

一、class装载验证流程

1、加载

　　1）、取得类的二进制流。

　　2）、转为方法区数据结构。

　　3）、在Java堆中生成对应的java.lang.Class对象。

2、链接--验证（目的：保证Class流的格式是正确的）

　　1）、文件格式的验证：是否是0xCAFEBASE开头、版本号是否正确等。

　　2）、元数据验证：是否有父类、是否继承了final类、非抽象类是否实现了所有的抽象方法等。

　　3）、字节码验证（最复杂）：运行检查、栈数据类型和操作码数据参数是否吻合、跳转指令是否指定到合理的位置。

　　4）、符号引用验证：常量池中描述类是否存在、访问的字段和方法是否存在且有足够的权限。

3、链接--准备

　　分配内存，并为类设置初始值（在方法区中），举个栗子：

　　①public static int a = 100;在链接--准备阶段中，a会被设置为0（int 类型的默认值），在初始化的<clinit>中才会被设置为1。

　　②public static final int a = 100;对于static final 类型，在链接--准备阶段就会被赋上正确的值，a被设置为100。

4、链接--解析

　　符号引用（字符串引用对象不一定被加载）替换为直接引用（指针或者偏移量，引用对象一定存在于内存中）。

5、初始化

　　1）、执行类构造器<clinit>，包括static变量赋值语句和static块。、

　　2）、子类的<clinit>调用前保证父类的<clinit>被调用。

　　3）、<clinit>方法是线程安全的，同步执行。

二、什么是ClassLoader？

　　ClassLoader是一个抽象类，它的实例将读入的Java字节码装载到jvm中，ClassLoader可以实现定制，以满足不同的字节码流的获取方式，主要负责类装载过程中的加载。

　　1）ClassLoader中重要的方法：

public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException
载入并返回一个Class
 
protected final Class<?> defineClass(byte[] b, int off, int len)
定义一个类，不公开调用
 
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException
loadClass回调该方法，自定义ClassLoader的推荐做法
 
protected final Class<?> findLoadedClass(String name)
寻找已经加载的类

　　　2）JDK中ClassLoader默认的设计模式分类：

　　　①BootStrap ClassLoader（启动ClassLoader）

　　　②Extension ClassLoader （扩展ClassLoader）

　　　③App ClassLoader（应用ClassLoader/系统ClassLoader）

　　　④自定义ClassLoader

　　上图展现了类查找和加载的次序，这样我们很容易就会想到存在一个问题：顶层的ClassLoader是无法加载底层ClassLoader的类，只就是“双亲问题”。那么Java框架（也就是rt.jar）如何加载Classpath下应用的类呢？

　　举个栗子进一步说明问题：javax.xml.parsers包中定义了xml解析的类接口，这些类接口（Service Provider Interface）都位于rt.jar，即接口的定义（以及类的工厂方法）都在Bootstrap ClassLoader中，其实这个SPI的实现（非抽象类）都在AppLoader之中，JDK要求Bootstrap ClassLoader能够加载Classpath下的类，这显然是不满足上图的要求的。

　　JDK为了解决这个问题在Thread类中定义了一个静态方法，Thread.setContextClassLoader()。这是一个上下文加载器，是一个“角色”，并不是一个真正的ClassLoader，它只是承担了特殊的任务，用以解决顶层ClassLoader无法访问底层ClassLoader的类的问题。基本思想是在顶层ClassLoader中传入一个底层的ClassLoader实例。下面的代码来源于rt.jar中javax.xml.parsers.FactoryFinder展示如何在启动类加载器中加载AppLoader的类突破“双亲模式”问题。

static private Class getProviderClass(String className, ClassLoader cl,
        boolean doFallback, boolean useBSClsLoader) throws ClassNotFoundException
{
    try {
        if (cl == null) {
            if (useBSClsLoader) {
                return Class.forName(className, true, FactoryFinder.class.getClassLoader());
            } else {
                cl = ss.getContextClassLoader();
                if (cl == null) {
                    throw new ClassNotFoundException();
                }
                else {
                    return cl.loadClass(className); //使用上下文ClassLoader
                }
            }
        }
        else {
            return cl.loadClass(className);
        }
    }
    catch (ClassNotFoundException e1) {
        if (doFallback) {
            // Use current class loader - should always be bootstrap CL
            return Class.forName(className, true, FactoryFinder.class.getClassLoader());
        }
…..

　　双亲模式是默认的模式，但不是必须要这么做，比如Tomcat的WebappClassLoader就会先加载自己的class，找不到再委托parent，再如，OSGi（模块化，热加载）的ClassLoader形成网状结构，根据需要自由加载Class。

　　破坏双亲模式的例子，先从底层的ClassLoader加载。OrderClassLoader的部分实现：

protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) throws ClassNotFoundException {
    // First, check if the class has already been loaded
    Class re=findClass(name);
    if(re==null){
        System.out.println(“无法载入类:”+name+“ 需要请求父加载器");
        return super.loadClass(name,resolve);
    }
    return re;
}

　　findClass(String name )实现如下：

protected Class<?> findClass(String className) throws ClassNotFoundException {
Class clazz = this.findLoadedClass(className);
//每个类只加载一次，会查找、定义、加载
if (null == clazz) {
    try {
        String classFile = getClassFile(className);
        FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile);
        FileChannel fileC = fis.getChannel();
        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
        WritableByteChannel outC = Channels.newChannel(baos);
        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);
         //-----------------省略部分代码-------------------//
        fis.close();
        byte[] bytes = baos.toByteArray();
 
        clazz = defineClass(className, bytes, 0, bytes.length);
    } catch (FileNotFoundException e) {
        e.printStackTrace();
    } catch (IOException e) {
        e.printStackTrace();
    }
}
return clazz;
}