类加载过程
2020年真是一个灾祸重生的一年，开年的春节假期因为肺炎疫情一直延续，弄得人们都人心惶惶，只能憋在家里写写博客打发时间，还是希望疫情早点结束，武汉加油！中国加油！
下面言归正传，本系列jvm文章主要从类加载过程、jvm内存模型、jvm垃圾收集、jvm优化等讲解本人对于jvm一些了解，希望能帮助到大家，若有不对之处欢迎，留言一起讨论。
上面是JVM虚拟机的一个概览图，本篇博客主要讲解类装载子系统方面的知识。
上图是类的加载过程
多个java文件经过编译打包生成可运行的jar包(例如S pring Boot项目)，最终由java命令运行某个主要的main函数启动程序，这里首先需要通过 类加载器 把 主类 加载到JVM。主类在运行过程中如果使用到其他类，会逐步加载这些类。
注意 jar包中的类不是一次性全部加载的，是使用到才加载的。
类加载到jvm的步骤
- 加载
- 验证
- 准备
- 解析
- 初始化
- 使用
- 卸载
加载 : 在硬盘上查找并通过IO流读入字节码文件，使用到类时才会加载，例如 new 对象等等。
验证： 校验字节码文件的正确性。
准备： 给类的静态变量分配内存，并赋予默认值 。
解析： 将符号引用替换为直接引用，该阶段会把一些静态方法替换为指向数据所存内存的指针或句柄(直接引用)，这里所谓的静态链接过程(类加载期间完成)，动态链接过程是在程序运行期间完成的将符号引用替换为直接引用。
初始化： 对类的 静态变量初始化设定的值，执行静态代码块。
相信单纯的讲一下这个过程还是不是很容易理解，下面对每个步骤在进行详细的说明一下。
加载就不多说了，着重说明一下验证 步骤，验证的是字节码文件(.class文件)的正确性，那么什么是class文件？具体要验证什么呢？首先我们要明白一下几个概念。
1.什么是Class文件
Java字节码类文件（.class）是Java编译器编译Java源文件（.java）产生的“目标文件”。它是一种8位字节的二进制流文件， 各个数据项按顺序紧密的从前向后排列， 相邻的项之间没有间隙， 这样可以使得class文件非常紧凑， 体积轻巧， 可以被JVM快速的加载至内存， 并且占据较少的内存空间（方便于网络的传输）。
class文件中的信息是一项一项排列的， 每项数据都有它的固定长度， 有的占一个字节， 有的占两个字节， 还有的占四个字节或8个字节， 数据项的不同长度分别用u1, u2, u4, u8表示， 分别表示一种数据项在class文件中占据一个字节， 两个字节， 4个字节和8个字节。 可以把u1, u2, u3, u4看做class文件数据项的“类型” 。
2.Class文件结构
下面就是我们的Class文件通过HEX-Editor插件编码后的结果
链接: .class文件具体解释说明参考
理解了什么是class文件，我们继续来说 验证 步骤到底验证什么。
- 文件格式的验证
- 是否以ca fe ba be开头
- 版本号是否合理(编译版本和运行版本是否一致)
- 元数据的验证
- 是否有父类
- 是否继承final类
- 非抽象类实现了所有的抽象方法
- 字节码验证
- 运行检查
- 栈数据类型和操作码数据参数吻合
- 跳转指令指定到合理位置
- 符号引用验证
- 常量池中描述类是否存在
- 访问的方法或字段是否存在且有足够的权限
讲完了验证步骤，准备和初始化步骤都是操作的静态变量，举个例子就很好明白了。
public class Test{
private static User u = new User();
private static int tem = 100;
private static final int v = 1;
}
准备阶段就是将u设置成初始值null，将tem设置成初始值0。
初始化阶段将u 在初始化成 new User()，将tem设置成100。
对于static final类型，在准备阶段就会被赋上正确的值。
什么是类加载器
类的加载过程我们知道，是通过类加载器 把主类加载到jvm中的，那么到底什么是类加载器呢？
顾名思义，类加载器（class loader）用来加载 Java 类到 Java 虚拟机中。一般来说，Java 虚拟机使用 Java 类的方式如下：Java 源程序（.java 文件）在经过 Java 编译器编译之后就被转换成 Java 字节代码（.class 文件）。类加载器负责读取 Java 字节代码，并转换成 java.lang.Class类的一个实例。每个这样的实例用来表示一个 Java 类。通过此实例的 newInstance()方法就可以创建出该类的一个对象。实际的情况可能更加复杂，比如 Java 字节代码可能是通过工具动态生成的，也可能是通过网络下载的。
基本上所有的类加载器都是 java.lang.ClassLoader类的一个实例。
虚拟机加载类有两种方式，一种方式ClassLoader.loadClass()方法，另一种是使用反射API，Class.forName()方法，其实Class.forName()方法内部也是使用的ClassLoader。
类加载器间的关系
由上图可知：
一个类的加载顺序是：自顶向下
一个类的检查顺序是：自底向上
这几种加载器不是继承关系，而是委托关系。那么类加载器是如何工作的呢？下面我们就从ClassLoader源码的loadClass()方法来进行解析。
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
//首先检查这个classsh是否已经加载过了
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
long t0 = System.nanoTime();
try {
// c==null表示没有加载，如果有父类的加载器则让父类加载器加载
if (parent != null) {
c = parent.loadClass(name, false);
} else {
//如果父类的加载器为空 则说明递归到bootStrapClassloader了
//bootStrapClassloader比较特殊无法通过get获取
c = findBootstrapClassOrNull(name);
}
} catch (ClassNotFoundException e) {
// ClassNotFoundException thrown if class not found
// from the non-null parent class loader
}
if (c == null) {
//如果bootstrapClassLoader 仍然加载完成后没有找到此类，则递归回来，尝试下级加载器调用findClass()方法去加载
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
private Class<?> findBootstrapClassOrNull(String name)
{
if (!checkName(name)) return null;
return findBootstrapClass(name);
}
// return null if not found
private native Class<?> findBootstrapClass(String name);
从ClassLoader源码的loadClass()方法中，我们可以看出，类加载器优先调用父类的loadClass()方法，优先使用父类进行加载，父类加载不到在调用子类进行加载。
这里的类加载其实就是一种双亲委派机制，加载某个类时会先委托父类加载器寻找目标类，找不到在委托上层父类加载器加载，如果所有父类加载器在自己的路径下都找不到目标类，则在自己的类路径下查找并载入目标类。
如何实现自定义类加载器
实现自定义的类加载器只需要继承ClassLoader类，并重写findClass方法即可。
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {
@Override
protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
try {
byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
if (result == null) {
throw new FileNotFoundException(name);
} else {
// defineClass方法将字节码转化为类
return defineClass(name, result, 0, result.length);
}
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
throw new ClassNotFoundException(name);
}
public static void main(String[] args) {
CustomClassLoader customClassLoader = new CustomClassLoader("D:/ClassLoader");
try {
Class<?> clazz = customClassLoader.loadClass("cn.com.study.classLoader.Log");
Object obj = clazz.newInstance();
Method method = clazz.getDeclaredMethod("sout", null);
method.invoke(obj,null);
System.out.println(clazz.getClassLoader().getClass().getName());
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
输出结果
这里虽然是自定义了类加载器，但是真正加载Log类使用的加载器是AppClassLoader，因为Log类在classPath下也是存在在，此时调用的loadClass()方法是父类的，所以类加载是存在双亲委派机制的，所以AppClassLoader是优先加载的。
那么如何能实现不通过AppClassLoader加载而使用自己的类加载器加载，这就需要打破双亲委派机制，需要重写loadClass()方法
@Override
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)
throws ClassNotFoundException
{
synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
// First, check if the class has already been loaded
Class<?> c = findLoadedClass(name);
if (c == null) {
// If still not found, then invoke findClass in order
// to find the class.
long t1 = System.nanoTime();
c = findClass(name);
// this is the defining class loader; record the stats
// sun.misc.PerfCounter.getParentDelegationTime().addTime(t1 - t0);
sun.misc.PerfCounter.getFindClassTime().addElapsedTimeFrom(t1);
sun.misc.PerfCounter.getFindClasses().increment();
}
if (resolve) {
resolveClass(c);
}
return c;
}
}
总结：实现自定义类加载器，如果不需要打破双亲委派机制，只需要重写findClass方法，若需要打破双亲委派机制还需要重写loadClass方法。
JVM为什么要实现双亲委派机制
1.沙箱安全机制： 自己写的java.lang.String.class类是不会被加载的，这样可以防止核心API库被随意篡改
2.避免类的重复加载： 当父类已经加载了该类后，就没有必要子ClassLoader再加载一次，保证被加载的类只被加载一次。
