JVM系列2：JVM结构-类加载（详解）

1.类加载子系统的作用

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（字节码文件都以CA FE BA BE 标识开头）。
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。加载的类信息存放于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）。

2.类加载ClassLoader的角色

1.class file 存在于硬盘上，可以理解为设计师画在纸上的模板，而最终这个模板在执行的时候是要加载到JVM当中来，根据这个模板实例化出n个一模一样的实例。
2.class file 加载到JVM中，被称为DNA元数据模板，放在方法中去。
3.在.class–>JVM–>最终成为元数据模板，此过程就要有一个运输工具（类加载器Class Loader），扮演一个快递员的角色。

3.类加载过程

1.加载

• 通过类名（地址）获取此类的二进制字节流；
• 将这个字节流所代表的的静态存储结构转换为方法区（元空间）的运行结构；
• 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入口。
  2.链接
• 验证：检验被加载的类是否有正确的内部结构，并和其他类协调一致；
• 准备：准备阶段则负责为类的静态属性分配内存，并设置默认初始值；不包含用final修饰的static实例变量，在编译时进行初始化，不会为实例变量初始化；
• 解析：将类的二进制数据中的符号引用替换直接引用（符号引用是用一组符号描述所引用的目标；直接引用是指向目标的指针）。
  3.初始化：
  （1）什么时候初始化？
• 1.创建类的实例，也就是new一个对象；
• 2.访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值；
• 3.调用类的静态方法；
• 4.反射（Class.forName("")）；
• 5.初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）。
  （2）类的初始化顺序
  对static修饰的变量或语句块进行赋值。
  如果同时包含多个静态变量和静态代码块，则按照自上而下的顺序依次执行。
  如果初始化一个类的时候，其父类尚未初始化，则优先初始化其父类。
  顺序是：父类static -> 子类static ->父类构造方法 -> 子类构造方法。

4.类加载器分类

JVM支持两种类型的类加载器，分别是引导类加载器（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汇总由开发人员自定义的一类加载器，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三个：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）、扩展类加载器（Extension ClassLoader）、应用程序类加载器（Application ClassLoader）。

1.引导类加载器（启动类加载器 BootStarp ClassLoader）
这个类加载器使用C/C++语言实现，嵌套在JVM内部，它用来加载java核心类库。
并不集成于java.lang.ClassLoader没有父类加载器。
负责加载扩展类加载器和应用类加载器，并为他们指定父类加载器。
出于安全考虑，引用类加载器只加载包为java,javax,sun等开头的类。
2.扩展类加载器（Extension ClassLoader）
Java语言编写的，由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader实现。派生于ClassLoader类。上层类加载器为引用类加载器。
从java.ext.dirs系统属性锁指定的目录中加载类库，或从JDK系统安装目录的jre/lib/ext子目录下（扩展目录）下加载类库，如果用户创建的.jar方在此目录下，也会自动由扩展类加载器加载。
3.应用程序类加载器（系统类加载器Application ClassLoader）
Java语言编写的，由sun.misc.Launcher $AppClassLoader实现。
派生于ClassLoader类。
上层类加载器为扩展类加载器。
加载我们自己定义的类。
该类加载器是程序中默认的类加载器。
通过 类名.class.getClassLoader(),ClassLoader.getSystemClassLoader()来获得。
ClassLoader类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自ClassLoader（不包括启动类加载器）。

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，也就是说当需要该类时才会将它的class文件加载到内存中生成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。

一，工作原理：
1.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加载器去执行；
2.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，请求最终将达到顶层的启动类加载器；
3.如果父类加载器可以完成类的加载任务，就成功返回，倘若父类加载器无法完成加载任务，子加载器才会尝试自己去加载，这就是双亲委派机制；如果均加载失败，就会抛出ClassNotFoundException异常。
如果我们自己创建一个名为java.lang的包，再创建一个名为String的类，当我们 new String()时，将会加载创建核心类库中的String对象。
二，双亲委派优点
1.安全：可避免用户自己编写的类动态替换Java的核心类；
2.避免全限定命名的类重复加载（使用了findLoadClass()判断当前类是否已加载）。

6.沙箱安全机制

1.作用：防止恶意代码污染java源代码
比如上述我们自己定义了java.lang.String类，因为这个类本来是属于jdk的，如果没有沙箱安全机制的话，这个类将会污染到系统中的String，但是由于沙箱安全机制，所以就委托顶层的引导类加载器查找这个类，如果没有的话就委托给扩展类加载器，再没有就委托到系统类加载器，但是由于String就是jdk的源代码，所以在引导类加载器那里就加载到了，先找到先使用，所以就使用引导类加载器里面的String，后面的一概不能使用，这就保证了不被恶意代码污染。
2.面试题
在JVM中如何判断两个对象是属于同一个类？

• 类的全类名（地址）完全相同；
• 类的加载器必须相同。

7.类的主动使用/被动使用

JVM规定，每个类或者接口被首次主动使用时才对其进行初始化，有主动使用，自然就有被动使用。
1.主动使用

• 通过new关键字导致类的初始化；
• 访问类的静态变量，包括读取和更新；
• 访问类的静态方法；
• 对某个类进行反射操作，会导致类的初始化；
• 初始化子类，会导致父类的初始化；
• 执行该类的main函数。
  2.被动使用
• 引用该类的静态常量，注意是常量，不会导致初始化，但也有意外，这里的常量是指已经指定字面量的常量，对于那些需要一些计算才能得出结果的常量就会导致初始化。eg：public final static int num = 5;//不会导致类初始化，被动使用;public final static int num = new Random().nextInt();//会导致类的初始化，主动使用
• 构造某个类的数组时不会导致该类的初始化，eg：Student[] students = new Student[10];
  主动使用和被动使用的区别在于类是否会被初始化