第二章类加载子系统

2.1 内存结构概述

Class 文件
类加载子系统
运行时数据区
- 方法区
- 堆
- 程序计数器
- 虚拟机栈
- 本地方法栈
执行引擎
本地方法接口
本地方法库

如果自己想手写一个 Java 虚拟机的话，主要考虑哪些结构呢？

类加载器
执行引擎

2.2 类加载器与类的加载过程

类加载器子系统作用

类加载器子系统负责从文件系统或者网络中加载 Class 文件，Class 文件在文件开头有特定的文件标识
ClassLoader 只负责 Class 文件的加载，至于它是否可以运行，则由 Execution Engine 决定
加载的类信息存放与一块称为方法区的内存空间。除了类的信息外，方法区中还会存放运行时常量池信息，可能还包括字符串字面量和数字常量（这部分常量信息是 Class 文件中常量池部分的内存映射）

类加载器 ClassLoader 角色

class file 存在于本地硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模版在执行的时候是要加载到 JVM 当中来根据这个文件实例化出 n 个一模一样的实例
class file 加载到 JVM 中，被称为 DNA 元数据模板，放在方法区
在 .class 文件 -> JVM -> 最终成为元数据模板，此过程就要一个运输工具（类装载器 Class Loader），扮演一个快递员的角色

类的加载过程

/**
 * 示例代码
 */
public class HelloLoader {
    
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("谢谢 ClassLoader 加载我...");
    }
    
}

用流程图表示上述示例代码：

类的加载过程分为三个阶段：加载、链接、初始化

2.2.1 加载阶段

通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
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
在内存中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

补充：加载 Class 文件的方式

从本地系统中直接加载
通过网络获取，典型场景：Web Applet
从 zip 压缩包中获取，成为日后 jar、war 格式的基础
运行时计算生成，使用最多的是：动态代理计数
由其他文件生成，典型场景：JSP 应用
从专有数据库中提取 .class 文件，比较少见
从加密文件中获取，典型的防 Class 文件被反编译的保护措施

2.2.2 链接阶段

链接阶段分为三个部分：验证（Verify）、准备（Prepare）、解析（Resolve）

验证（Verify）

目的在于确保 Class 文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，保证被加载类的正确性，不会危害虚拟机自身安全
主要包括四种验证，文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号引用验证

准备（Prepare）

为类变量分配内存并且设置该类变量的默认初始值，即零值
这里不包含用 final 修饰的 static，因为 final 在编译的时候就会分配了，准备阶段会显式初始化
这里不会为实例变量分配初始化，类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到 Java 堆中

解析（Resolve）

将常量池内的符号引用转换为直接引用的过程
事实上，解析操作往往会伴随着 JVM 在执行初始化之后再执行
符号引用就是一组符号来描述所引用的目标。符号引用的字面量形式明确定义在《Java 虚拟机规范》的 Class 文件格式中。直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄
解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型等。对应常量池中的CONSTANT_Class_info，CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info等

2.2.3 初始化阶段

初始化阶段就是执行类构造器方法<clinit>()的过程
此方法不需定义，是 javac 编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来
构造器方法中指令按语句在源文件中出现的执行顺序
<clinit>()不同于类的构造器（关联：构造器是虚拟机视角下的<init>()）
若该类具有父类，JVM 会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕
虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多个线程下被同步加锁

代码演示

<clinit>()是 javac 编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态代码块中的语句合并而来

存在类变量和静态代码块

public class ClassInitTest {

    private static int num = 1;

    static {
        num = 2;
        number = 20;
        System.out.println(num);
        //报错，非法的前向引用
        //System.out.println(number);
    }

    //linking 之 prepare：number = 0 ---> initial：20 --> 10
    private static int number = 10;

    /**
     * 运行结果：
     * 2
     * 10
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ClassInitTest.num);
        System.out.println(ClassInitTest.number);
    }

}

对应的字节码文件如下（在 IDEA 中安装 jclasslib 插件）

（字节码指令的内容会在后续字节码指令章节详细说明，这里先了解即可）

不存在类变量和静态代码块，无<clinit>()的方法

public class ClinitTest {
	
    //任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
    private int a = 1;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

}

<clinit>()不同于类的构造器

public class ClinitTest {

    //任何一个类声明以后，内部至少存在一个类的构造器
    private int a = 1;
    private static int c = 3;

    public static void main(String[] args) {
        int b = 2;
    }

    public ClinitTest() {
        a = 10;
        int d = 20;
    }

}

若该类具有父类，JVM 会保证子类的<clinit>()执行前，父类的<clinit>()已经执行完毕

public class ClinitExtendsTest {

    static class Father {
        public static int A = 1;
        static {
            A = 2;
        }
    }

    static class Son extends Father {
        public static int B = A;
    }

    /**
     * 运行结果：
     * 2
     */
    public static void main(String[] args) {
        //加载 Father 类，其次加载 Son 类
        System.out.println(Son.B);
    }

}

虚拟机必须保证一个类的<clinit>()方法在多个线程下被同步加锁

public class DeadThreadTest {

    /**
     * 运行结果：
     * 线程2开始
     * 线程2初始化当前类
     * 线程1开始
     * 阻塞！
     */
    public static void main(String[] args) {
        Runnable r = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始");
            DeadThread dead = new DeadThread();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "结束");
        };
        Thread t1 = new Thread(r, "线程1");
        Thread t2 = new Thread(r, "线程2");
        t1.start();
        t2.start();
    }


}

class DeadThread {

    static {
        if (true) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始化当前类");
            while (true) {

            }
        }
    }

}

2.3 类加载器分类

JVM 支持两种类型的类加载器。分别为引导类加载器（Bootstrap ClassLoader）和自定义类加载器（User-Defined ClassLoader）

从概念上来讲，自定义类加载器一般指的是程序中由开发人员自定义的一类类加载器，但是 Java 虚拟机规范却没有这么定义，而是将所有派生于抽象类 ClassLoader 的类加载器都划分为自定义类加载器

无论类加载器的类型如何划分，在程序中我们最常见的类加载器始终只有 3 个，如下图所示

这里的四者之间的关系是包含关系。不是上层下层，也不是子父类的继承关系

代码演示

public class ClassLoaderTest {

    /**
     * 运行结果：
     * sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
     * sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@75828a0f
     * null
     * sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
     * null
     */
    public static void main(String[] args) {
        //获取系统类加载器
        ClassLoader systemClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader();
        System.out.println(systemClassLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        //获取其上层：扩展类加载器
        ClassLoader extClassLoader = systemClassLoader.getParent();
        System.out.println(extClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@75828a0f
        //获取其上层：获取不到引导类加载器
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent();
        System.out.println(bootstrapClassLoader);//null
        //对于用户自定义类来说：默认使用系统类加载器进行加载
        ClassLoader classLoader = ClassLoaderTest.class.getClassLoader();
        System.out.println(classLoader);//sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
        //String 类使用引导类加载器进行加载的 ---> Java 的核心类库都是使用引导类加载器进行加载的
        ClassLoader stringClassLoader = String.class.getClassLoader();
        System.out.println(stringClassLoader);//null
    }

}

2.3.1 虚拟机自带的加载器

启动类加载器（引导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

这个类加载使用 C/C++ 语言实现的，嵌套在 JVM 内部
它用来加载 Java 的核心库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path 路径下的内容），用于提供 JVM 自身需要的类
并不继承自java.lang.ClassLoader，没有父类加载器
加载扩展类和应用程序加载器，并指定为它们的父类加载器
处于安全考虑，Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun 等开头的类

扩展类加载器（Extension ClassLoader）

Java 语言编写，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现
派生于 ClassLoader 类
父类加载器为启动类加载器
从java.ext.dirs系统属性所指定的目录中加载类库，或从 JDK 的安装目录的jre/lib/ext子目录（扩展目录）下加载类库。如果用户创建的 JAR 放在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载

应用程序类加载器（系统类加载器，AppClassLoader）

Java 语言编写，由sun.misc.Launcher$AppClassloader实现
派生于 ClassLoader 类
父类加载器为扩展类加载器
它负责加载环境变量 classpath 或系统属性（java.class.path指定路径下的类库）
该类加载的事程序中默认的类加载器，一般来说，Java 应用的类都是由它来完成加载
通过 ClassLoader#getSystemClassLoader()方法可以获取到该类加载器

代码演示

public class ClassLoaderBootstrapTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("****启动类加载器****");
        //获取 BootstrapClassLoader 能够加载的 api 的路径
        URL[] urLs = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL url : urLs) {
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类，来看看它的类加载器是什么？引导类加载器
        //找到 /Program Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jsse.jar，解压后，再找到 Provider 类
        ClassLoader providerClassLoader = Provider.class.getClassLoader();
        System.out.println(providerClassLoader);

        System.out.println("****扩展类加载器****");
        String exDirs = System.getProperty("java.ext.dirs");
        for (String dir : exDirs.split(":")) {
            System.out.println(dir);
        }
        //从上面的路径中随意选择一个类，来看看它的类加载器是什么？扩展类加载器
        //在 \Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\ext 目录下找到 sunec.jar，解压后，再找到 CurveDB 类
        ClassLoader curveDBClassLoader = CurveDB.class.getClassLoader();
        System.out.println(curveDBClassLoader);//sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@5b464ce8

    }


}

2.3.2 用户自定义类加载器

在 Java 的日常应用程序开发中，类的加载几乎是由上述 3 中类加载器互相配合执行的，在必要时，我们还可以自定义类加载器，来定制类的加载方式

为什么要自定义类加载器？

隔离加载类
修改类加载的方式
扩展加载源
防止源码泄漏

用户自定义类加载器的实现步骤：

开发人员可以通过继承抽象类java.lang.ClassLoader类的方式，实现自己的类加载器，以满足一些特殊的需求
在 JDK1.2 之前，在自定义类加载器时，总会去继承 ClassLoader 类并重写loadClass()方法，从而实现自定义的类加载类，但是在 JDK1.2 之后已不再建议用户去覆盖loadClass()方法，而是建议把自定义的类加载逻辑写在findClass()方法中
在编写自定义类加载器时，如果没有太过于复杂的需求，可以直接继承 URLClassLoader 类，这样就可以避免自己去编写findClass()方法及其获取字节码流的方式，使自定义类加载器编写更加简洁

/**
 * 用户自定义类加载器
 */
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] result = getClassFromCustomerPath(name);
        if (result == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, result, 0, result.length);
        }
    }

    private byte[] getClassFromCustomerPath(String name) {
        //从自定义路径中加载指定类：细节略
        //如果指定路径的字节码文件进行了加密，则需要在此方法中进行解密操作
        return null;
    }

    public static void main(String[] args) {
        CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader();
        try {
            Class<?> clazz = Class.forName("One", true, customClassLoader);
            Object obj = clazz.newInstance();
            System.out.println(obj.getClass().getClassLoader());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

}

2.4 ClassLoader 的使用说明

ClassLoader 类是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassLoader（不包括启动类加载器）

方法名称	描述
`getParent()`	返回该类加载器的超类加载器
`loadClass(String name)`	加载名称为 name 的类，返回结果为`java.lang.Class`类的实例
`findClass(String name)`	查找名称为 name 的类，返回结果为`java.lang.Class`类的实例
`findLoaderClass(String name)`	查找名称为 name 的已经被加载过的类，返回结果为`java.lang.Class`类的实例
`defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)`	把字节数组 b 中的内容转换为一个 Java 类，返回结果为`java.lang.Class`类的实例
`resolveClass(Class<?> c)`	连接指定的一个 Java 类

sum.misc.Launcher它是一个 Java 虚拟机的入口应用

获取 ClassLoader 的途径

获取当前类的 ClassLoader

clazz.getClassLoader()
获取当前线程上下文的 ClassLoader

Thread.currentThread().getContextClassLoader()
获取系统的 ClassLoader

ClassLoader.getSystemClassLoader()
获取调用者的 ClassLoader

DriverManager.getCallerClassLoader()

代码演示

public class ClassLoaderWayTest {

    /**
     * 运行结果：
     * null
     * sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
     * sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@57fa26b7
     */
    public static void main(String[] args) {
        try {
            //1.启动类加载器
            ClassLoader stringClassLoader = Class.forName("java.lang.String").getClassLoader();
            System.out.println(stringClassLoader);
            //2.应用类加载器
            ClassLoader contextClassLoader = Thread.currentThread().getContextClassLoader();
            System.out.println(contextClassLoader);
            //3.扩展类加载器
            ClassLoader extClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader().getParent();
            System.out.println(extClassLoader);
        } catch (ClassNotFoundException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }

}

2.5 双亲委派机制

Java 虚拟机对 Class 文件采用的是按需加载的方式，也就是说当需要使用该类时才会将它的 Class 文件加载到内存生成 Class 对象。而且加载某个类的 Class 文件时，Java 虚拟机采用的是双亲委派模式，即把请求交由父类处理，它是一种任务委派模式

工作原理

如果一个类加载器收到了类加载请求，它并不会自己先去加载，而是把这个请求委托给父类的加载器去执行
如果父类加载器还存在其父类加载器，则进一步向上委托，依次递归，请求最终将到达顶层的启动类加载器
如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成此加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派模式

代码演示

例子1

在项目中新建包名java.lang，然后在包下新建String.java类

public class String {

    static {
        System.out.println("我是自定义的 String 类静态代码块");
    }

}

正常新建 StringTest.java

public class StringTest {

    /**
     * 运行结果：
     * hello world
     * sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2
     */
    public static void main(String[] args) {
        //String 加载的是由启动类加载器加载的，并不会受自定义的 String 类的影响
        String str = new String();
        System.out.println("hello world");
        //StringTest 则是由系统类加载器
        StringTest test = new StringTest();
        System.out.println(test.getClass().getClassLoader());
    }

}

String 加载的是由启动类加载器加载的，并不会受自定义的 String 类的影响

在自定义的String类中增加main方法

public class String {

    static {
        System.out.println("我是自定义的 String 类静态代码块");
    }

    /**
     * 运行结果：
     * 错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法, 请将 main 方法定义为:
     *    public static void main(String[] args)
     * 否则 JavaFX 应用程序类必须扩展javafx.application.Application
     */
    public static void main(String[] args) {
        //错误: 在类 java.lang.String 中找不到 main 方法
        System.out.println("hello, String");
    }

}

自定义String类中存在main方法，但是没有被真正的加载。真正加载的String中是不包含main方法的，所以出现此报错。同样说明String类是由启动类加载器加载的

例子2

当我们加载 jdbc.jar 用于实现数据库连接的时候，首先我们需要知道的是 jdbc.jar 是基于 SPI 接口进行实现的，属于核心 API，所以在加载的时候，会进行双亲委派，最终引导类加载器加载核心 rt.jar 包，从而实现加载 SPI 接口类。之后 rt.jar 包中存在一些接口，接口需要有具体的实现类，这些实现类存在于第三方的 jar 包，由于它不属于核心 API，即需要系统类加载器加载第三方的 jar 包。所以接着再进行反向委派，委派到系统类加载器，最后通过线程上下文类加载器进行实现类 jdbc.jar 的加载

优势

避免类的重复加载
保护程序安全，防止核心 API 被随意篡改
- 自定义类：java.lang.String
- 自定义类：java.lang.ShkStart

代码演示

在java.lang包下，新建shkStart.java

public class ShkStart {

    /**
     * 运行结果：
     * Error: A JNI error has occurred, please check your installation and try again
     * Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang
     */
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("hello!");
    }

}

出现java.lang.SecurityException: Prohibited package name: java.lang错误，这个报错主要起到保护作用

沙箱安全机制

自定义 String 类，但是在加载自定义 String 类的时候会率先使用引导类加载器加载，而引导类加载器在加载的过程中会先加载 JDK 自带的文件（rt.jar 包中java\lang\String.class），报错信息说没有 main 方法，就是因为加载的是rt.jar包中的 String 类。这样可以保证对 java 核心源码的保护，这就是沙箱安全机制

2.6 其他

在 JVM 中表示两个 Class 对象是否为同一个类存在两个必要条件

类的完整类名必须一致，包括包名
加载这个类的 ClassLoader（指 ClassLoader 实例对象）必须相同

换句话说，在 JVM 中，即使这两个类对象（Class 对象）来源同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只要加载它们的 ClassLoader 实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的

对类加载器的引用

JVM 必须知道一个类型是由启动类加载器加载的还是由用户类加载器加载的。如果一个类型是由用户类加载器加载的，那么 JVM 会将这个类加载器的一个引用作为类型信息的一部分保存在方法区中。当解析一个类型到另外一个类型的引用的时候，JVM 需要保证这两个类型的类加载器是相同的

类的主动使用和被动使用

Java 程序对类的使用分为：主动使用和被动使用

主动使用，又分为七种情况：

创建类的实例
访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
调用类的静态方法
反射（比如：Class.forName("...")）
初始化一个类的子类
Java 虚拟机启动时被标明为启动类的类
JDK7 开始提供的动态语言支持：java.lang.invoke.MehtodHandle实例的解析结果REF_getStatic、REF_putStatic、REF_invokeStatic句柄对应的类没有初始化，则初始化

除了以上七种情况，其他使用 Java 类的方式都被看作是对类的被动使用，都不会导致类的初始化

posted @ 2026-04-29 15:53 清风含薰阅读(3) 评论(0) 收藏举报

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第二章类加载子系统

2.1 内存结构概述

2.2 类加载器与类的加载过程

2.2.1 加载阶段

2.2.2 链接阶段

2.2.3 初始化阶段

2.3 类加载器分类

2.3.1 虚拟机自带的加载器

2.3.2 用户自定义类加载器

2.4 ClassLoader 的使用说明

2.5 双亲委派机制

2.6 其他

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2.1 内存结构概述

2.2 类加载器与类的加载过程

2.2.1 加载阶段

2.2.2 链接阶段

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2.3 类加载器分类

2.3.1 虚拟机自带的加载器

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2.4 ClassLoader 的使用说明

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