【JVM第2课】类加载子系统（类加载器、双亲委派）

类加载系统加载类时分为三个步骤，加载、链接、初始化，下面展开介绍。

文章目录

- 1 类加载器
- - 1.1 引导类加载器（BootStrapClassLoader）
  - 1.2 拓展类加载器（`ExtClassLoader`）
  - 1.3 应用类加载器（AppClassLoader）
  - 1.4 双亲委派
- 2 链接
- - 2.1 验证
  - 2.2 准备
  - 2.3 解析
- 3 初始化
- - 3.1 定义
  - 3.2 主要任务
  - 3.3 `<clinit>` 方法的特点
  - 3.4 示例代码
  - 3.5 初始化时机
  - 3.6 初始化顺序

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类加载子系统结构图：
在这里插入图片描述

1 类加载器

JVM 使用类加载器加载 class 文件，类加载器可分为引导类加载器和自定义类加载器两种。

引导类加载器（Bootstrap ClassLoader），有时也被称作启动类加载器或者零类加载器（Null ClassLoader），是 Java 虚拟机中最基础的类加载器之一。它的主要职责是加载 Java 核心类库。

自定义类加载器需要继承自 ClassLoader 类，JDK 默认提供了一些。比较重要的有两个，拓展类加载器（ExtClassLoader） 和应用类加载器（AppClassLoader） 。

下面展开说说这三个加载器的作用、区别以及联系。先看一张图：

在这里插入图片描述

1.1 引导类加载器（BootStrapClassLoader）

特点：

内部实现：引导类加载器并不是通过 Java 代码实现的，而是用 C++ 或者其他本地语言编写的，并且是 JVM 的一部分。
加载路径：引导类加载器通常从 $JAVA_HOME/jre/lib/ 或类似的位置加载 Java 核心类。
无父类加载器：引导类加载器没有显式的父类加载器，这是因为它的设计目的是为了加载 Java 最基础的类库，而这些类库是任何其他类加载器工作的前提。因此，它不需要依赖于任何其他类加载器。
不可见性：引导类加载器并不是对所有 Java 应用程序都可见的，因为它是 JVM 的一部分，而不是标准的 Java 类加载器层次结构的一部分。
优先级：引导类加载器通常是整个类加载过程的第一步，当 Java 应用程序启动时，它会首先加载必要的核心类库，然后才允许后续的类加载器（如扩展类加载器和应用类加载器）开始工作。

1.2 拓展类加载器（`ExtClassLoader`）

特点：

内部实现：ExtClassLoader是在sun.misc.Launcher类里的静态内部类，继承自 ClassLoader 类，重写 loadClass() 方法。
加载路径：ExtClassLoader 主要负责加载位于 $JAVA_HOME/jre/lib/ext 目录下的扩展类库。
委托模型：ExtClassLoader 遵循 Java 类加载器的委托模型。当它收到一个类加载请求时，它首先会尝试使用其父类加载器（即 Bootstrap ClassLoader）来加载这个类。如果父类加载器无法加载，则 ExtClassLoader 会尝试自己加载。
优先级：ExtClassLoader 位于 BootstrapClassLoader 之后，但在 AppClassLoader之前。这意味着它继承了 Bootstrap ClassLoader 的特性，并且它加载的类对 Application ClassLoader 可见。

1.3 应用类加载器（AppClassLoader）

特点：

内部实现：AppClassLoader也是在sun.misc.Launcher类里的静态内部类，继承自 ClassLoader 类，重写 loadClass() 方法。
加载路径：AppClassLoader主要负责的目录是当前应用程序的 classpath 所指定的路径，也就是说我们自己写的类默认都是通过AppClassLoader加载的。我们在IDEA里运行代码时，仔细观察控制台可以发现第一行通过-classpath指定了当前应用程序的class文件的目录
委托模型：AppClassLoader 遵循 Java 类加载器的委托模型。当它收到一个类加载请求时，它首先会尝试使用其父类加载器 ExtClassLoader来加载这个类。如果父类加载器无法加载，则 AppClassLoader 会尝试自己加载。
优先级：AppClassLoader位于ExtClassLoader 之后。

除了这些特点外，AppClassLoader还有一些别的用途：

加载第三方 Jar 包：当应用程序依赖于第三方库时，这些库通常会被打包成 JAR 包，并放置在类路径中。AppClassLoader 会加载这些 JAR 包中的类。
动态加载类：在一些需要动态加载类的场景中，如 Spring Boot 应用程序，AppClassLoader 可以用于动态加载和卸载类。

1.4 双亲委派

原因一：前面我们介绍了引导类加载器、拓展类加载器、应用类加载器分别负责不同的路径下的class文件，但是并不是完全不相交的，比如-classpath除了指定当前应用程序的class文件目录外，也会指定$JAVA_HOME/jre/lib/目录下的某些 jar 包，所以要避免重复加载某些类。

原因二：如果我们的程序被黑客攻击了，比如黑客自己创建了一个java.lang的包，里面创建了一个名为String的类，把这个包和类植入我们正在运行的项目里，如果他的这个类被加载了，那我们项目里的String就会被篡改。

为了避免以上两种原因，我们要保证类只加载一次，并且保证越靠近 JVM 的类加载器优先级越高。这就是双亲委派干的事情！！！

原理：

引导类加载器、拓展类加载器、应用类加载器这三者之前有个关系，但又不是父子类关系，而是应用类加载器有个parent属性是拓展类加载器的对象。拓展类加载器的parent为空，所以会调用引导类加载器。我们观察ClassLoader的loaderClass()方法可以得出类的加载过程：

loadClass()方法

双亲委派过程

简单来说就是，

通过AppClassLoader加载class时会先用ExtClassLoader去加载这个类；

通过ExtClassLoader加载class时会先用BootStrapClassLoader去加载这个类；

好处：

避免类被重复加载。
防止JVM核心类被篡改。

2 链接

class 加载完后会进行链接，分为三步：验证、准备、解析。

2.1 验证

第一步是验证 class 文件是否正确，比如验证格式。

2.2 准备

对 static 修饰的属性赋予一个默认值，但这一步不会赋初始值。

举个例子，class 里定义了一个static int a = 1，准备阶段会把 a 赋值为 0，在初始化阶段 a 才会 = 1。

2.3 解析

将符号引用解析为直接引用。什么意思呢？

首先我们需要知道类被加载后是放到方法区的，每个类都是一个 Klass 对象（也可称为 Klass 结构）。

一般情况下我们都会在一个A类里使用到别的B类，使用方式是B类的全限定名，就只是一个字符串。但是JVM 实际在执行的时候需要从方法区中找到B类的 Klass 对象，解析的作用就是把这个名称字符串替换为实际的 Klass 对象内存地址。“符号引用”就是名称字符串、“直接引用”就是 Klass 对象内存地址。

3 初始化

初始化是类加载子系统的最后一个阶段，也是最为关键的阶段之一。下面详细介绍初始化阶段的内容及其重要性。

3.1 定义

初始化阶段是类加载过程中的最后一个阶段，它负责执行类构造器 <clinit> 方法，并初始化类的静态变量。

3.2 主要任务

初始化阶段的主要任务包括：

执行类构造器 <clinit> 方法：<clinit> 方法是一个特殊的静态构造器，它负责对类进行初始化。每个类都有一个 <clinit> 方法，该方法在类第一次被初始化时由 JVM 自动生成并执行。
初始化类变量：类中的静态变量（即类变量）在 <clinit> 方法中被赋值。

3.3 `<clinit>` 方法的特点

静态块：在类定义中，静态代码块会被编译器转化为 <clinit> 方法中的语句。
顺序执行：如果一个类有多个静态代码块，它们将按照在源代码中出现的顺序依次执行。
线程安全：<clinit> 方法是线程安全的，这意味着即使有多个线程同时初始化同一个类，也不会发生冲突。

3.4 示例代码

下面是一个简单的示例，展示类的初始化过程：

public class InitializationExample {
    static {
        System.out.println("执行静态初始化块。");
    }

    static int staticVar = initializeStaticVar();

    private static int initializeStaticVar() {
        System.out.println("初始化静态变量。");
        return 10;
    }

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("静态变量初始化为: " + staticVar);
    }
}

输出如下：

执行静态初始化块。
初始化静态变量。
静态变量初始化为: 10

3.5 初始化时机

类的初始化通常在以下几种情况下触发：

首次创建类的实例：当第一次创建类的实例时，JVM 会初始化该类。
调用类的静态方法：当第一次调用类的静态方法时，JVM 会初始化该类。
引用类的静态字段：当第一次引用类的静态字段时，JVM 会初始化该类。
反射性引用：当通过 java.lang.Class 或 java.lang.reflect 包中的方法来引用类时，如果这些方法会导致类的初始化，那么 JVM 会初始化该类。
初始化子类时：当初始化一个类的子类时，如果父类还没有被初始化，那么 JVM 会首先初始化父类。