JVM系列 :Java類加載器classLoader(一)瞭解加載過程

原文鏈接:https://blog.csdn.net/xiao1_1bing/article/details/81120787

1、什麼是類的加載
類的加載指的是將類的.class文件中的二進制數據讀入到內存中,將其放在運行時數據區的方法區內,然後在堆區創建一個java.lang.Class對象,用來封裝類在方法區內的數據結構。類的加載的最終產品是位於堆區中的Class對象,Class對象封裝了類在方法區內的數據結構,並且向Java程序員提供了訪問方法區內的數據結構的接口。(對於加載時機不清楚的可以看這篇文章:https://blog.csdn.net/xiao1_1bing/article/details/81139926)


類加載器並不需要等到某個類被“首次主動使用”時再加載它,JVM規範允許類加載器在預料某個類將要被使用時就預先加載它,如果在預先加載的過程中遇到了.class文件缺失或存在錯誤,類加載器必須在程序首次主動使用該類時才報告錯誤(LinkageError錯誤)如果這個類一直沒有被程序主動使用,那麼類加載器就不會報告錯誤

加載.class文件的方式

從本地系統中直接加載
通過網絡下載.class文件
從zip,jar等歸檔文件中加載.class文件
從專有數據庫中提取.class文件
將Java源文件動態編譯爲.class文件
2、類的生命週期(7步:家宴準借出是謝)

其中類加載的過程包括了加載、驗證、準備、解析、初始化五個階段。在這五個階段中,加載、驗證、準備和初始化這四個階段發生的順序是確定的,而解析階段則不一定,它在某些情況下可以在初始化階段之後開始,這是爲了支持Java語言的運行時綁定(也成爲動態綁定或晚期綁定)。另外注意這裏的幾個階段是按順序開始,而不是按順序進行或完成,因爲這些階段通常都是互相交叉地混合進行的,通常在一個階段執行的過程中調用或激活另一個階段。

1)、加載
查找並加載類的二進制數據加載時類加載過程的第一個階段,在加載階段,虛擬機需要完成以下三件事情:

通過一個類的全限定名來獲取其定義的二進制字節流。
將這個字節流所代表的靜態存儲結構轉化爲方法區的運行時數據結構。
在Java堆中生成一個代表這個類的java.lang.Class對象,作爲對方法區中這些數據的訪問入口。
相對於類加載的其他階段而言,加載階段(準確地說,是加載階段獲取類的二進制字節流的動作)是可控性最強的階段,因爲開發人員既可以使用系統提供的類加載器來完成加載,也可以自定義自己的類加載器來完成加載。

加載階段完成後,虛擬機外部的二進制字節流就按照虛擬機所需的格式存儲在方法區之中,而且在Java堆中也創建一個java.lang.Class類的對象,這樣便可以通過該對象訪問方法區中的這些數據。

2)、連接(驗證、準備、解析)
2)、驗證:確保被加載的類的正確性
驗證是連接階段的第一步,這一階段的目的是爲了確保Class文件的字節流中包含的信息符合當前虛擬機的要求,並且不會危害虛擬機自身的安全。驗證階段大致會完成4個階段的檢驗動作:

文件格式驗證:驗證字節流是否符合Class文件格式的規範;例如:是否以0xCAFEBABE開頭、主次版本號是否在當前虛擬機的處理範圍之內、常量池中的常量是否有不被支持的類型。
元數據驗證:對字節碼描述的信息進行語義分析(注意:對比javac編譯階段的語義分析),以保證其描述的信息符合Java語言規範的要求;例如:這個類是否有父類,除了java.lang.Object之外。
字節碼驗證:通過數據流和控制流分析,確定程序語義是合法的、符合邏輯的。
符號引用驗證:確保解析動作能正確執行。
驗證階段是非常重要的,但不是必須的,它對程序運行期沒有影響,如果所引用的類經過反覆驗證,那麼可以考慮採用-Xverify:none參數來關閉大部分的類驗證措施,以縮短虛擬機類加載的時間。

3)、準備:爲類的靜態變量分配內存,並將其初始化爲默認值
準備階段是正式爲類變量分配內存並設置類變量初始值的階段,這些內存都將在方法區中分配。對於該階段有以下幾點需要注意:

1、這時候進行內存分配的僅包括類變量(static),而不包括實例變量,實例變量會在對象實例化時隨着對象一塊分配在Java堆中。
2、這裏所設置的初始值通常情況下是數據類型默認的零值(如0、0L、null、false等),而不是被在Java代碼中被顯式地賦予的值。
假設一個類變量的定義爲:public static int value = 3;

那麼變量value在準備階段過後的初始值爲0,而不是3,因爲這時候尚未開始執行任何Java方法,而把value賦值爲3的public static指令是在程序編譯後,存放於類構造器<clinit>()方法之中的,所以把value賦值爲3的動作將在初始化階段纔會執行。

這裏還需要注意如下幾點: 
- 對基本數據類型來說,對於類變量(static)和全局變量,如果不顯式地對其賦值而直接使用,則系統會爲其賦予默認的零值,而對於局部變量來說,在使用前必須顯式地爲其賦值,否則編譯時不通過。 
- 對於同時被static和final修飾的常量,必須在聲明的時候就爲其顯式地賦值,否則編譯時不通過;而只被final修飾的常量則既可以在聲明時顯式地爲其賦值,也可以在類初始化時顯式地爲其賦值(調用構造函數賦值),總之,在使用前必須爲其顯式地賦值,系統不會爲其賦予默認零值。 
- 對於引用數據類型reference來說,如數組引用、對象引用等,如果沒有對其進行顯式地賦值而直接使用,系統都會爲其賦予默認的零值,即null。 
- 如果在數組初始化時沒有對數組中的各元素賦值,那麼其中的元素將根據對應的數據類型而被賦予默認的零值。

3、如果類字段的字段屬性表中存在ConstantValue屬性,即同時被final和static修飾,那麼在準備階段變量value就會被初始化爲ConstValue屬性所指定的值。
假設上面的類變量value被定義爲: public static final int value = 3;

編譯時Javac將會爲value生成ConstantValue屬性,在準備階段虛擬機就會根據ConstantValue的設置將value賦值爲3。我們可以理解爲static final常量在編譯期就將其結果放入了調用它的類的常量池中。

準備階段是正式給類變量(static修飾的變量)分配內存並設置類變量的初始值,實例變量(不是static修飾的類層面的變量)會在對象實例化時隨着對象一起分配在java堆中,要注意的是初始值的含義,和final修飾的實例變量,初始值指數據類型的0值,下面a在這個時候初始值爲0;final修飾的變量這個時候會給值,c此時的值就是爲3因爲在編譯期就將其結果放入了調用它的類的常量池中。

private static int a = 1;//類變量 
private int b = 2 ;//實例變量 
private final int c = 3 ; 
4)、解析:把類中的符號引用轉換爲直接引用
解析階段是虛擬機將常量池內的符號引用(常量池中的字符串)替換爲直接引用(實際地址)的過程。

解析動作主要針對類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調用點限定符7類符號引用進行。

    符號引用就是一組符號來描述目標,可以是任何字面量。java.lang.Object並不能直接用,它只是表示方式,需要轉化爲地址。

    直接引用就是直接指向目標的指針、相對偏移量或一個間接定位到目標的句柄。

    在java中,一個java類將會編譯成一個class文件。在編譯時,java類並不知道引用類的實際內存地址,因此只能使用符號引用來代替。比如org.simple.People類引用org.simple.Tool類,在編譯時People類並不知道Tool類的實際內存地址,因此只能使用符號org.simple.Tool(假設)來表示Tool類的地址。而在類裝載器裝載People類時,此時(解析階段)可以通過虛擬機獲取Tool類 的實際內存地址,因此便可以既將符號org.simple.Tool替換爲Tool類的實際內存地址,及直接引用地址。

5)、初始化(不會生成實例對象,只初始化static變量的值,別理解錯了)
初始化,執行類構造器<clinit>(它是線程安全的),構造器是幹嘛的呢?爲類的靜態變量(static)賦予正確的初始值(簡單理解就是用戶給變量賦的值,現在才執行,實現了用戶賦值,而不是準備階段系統賦值),JVM負責對類進行初始化,主要對類變量(static變量)進行初始化。在Java中對類變量進行初始值設定有兩種方式:

①聲明類變量是指定初始值
②使用靜態代碼塊爲類變量指定初始值
JVM初始化步驟

1、假如這個類還沒有被加載和連接,則程序先加載並連接該類
2、假如該類的直接父類還沒有被初始化,則先初始化其直接父類
3、假如類中有初始化語句,則系統依次執行這些初始化語句
類初始化時機:只有當對類的主動使用的時候纔會導致類的初始化,類的主動使用包括以下六種:

創建類的實例,也就是new的方式
訪問某個類或接口的靜態變量,或者對該靜態變量賦值
調用類的靜態方法
反射(如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”))
初始化某個類的子類,則其父類也會被初始化
Java虛擬機啓動時被標明爲啓動類(mian()方法)的類(Java Test),直接使用java.exe命令來運行某個主類
6)、使用:在沒有被GC回收,一直會處於使用階段
7)、結束生命週期
在如下幾種情況下,Java虛擬機將結束生命週期

執行了System.exit()方法
程序正常執行結束
程序在執行過程中遇到了異常或錯誤而異常終止
由於操作系統出現錯誤而導致Java虛擬機進程終
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