关于java:Java-进阶-03-类加载器和双亲委派到底是什么

类加载子系统作用

• 类加载子系统负责从文件系统或者网络中加载 Class 文件，Class 文件在文件结尾有特定的文件标识（cafebabe）
• ClassLoader 只负责 Class 文件的加载，至于它是否可能运行，则由 Execution Engine 决定
• 加载的类信息寄存于一块称为办法区的内存空间。除了类的信息外，办法区还寄存运行时常量池信息，可能还蕴含字符串字面值和数字常量（这部分常量信息是 Class 文件中常量池局部的内存映射）

类加载器的角色

• class file 寄存于本地硬盘上，能够了解成设计师画在纸上的模板，最终这个模板在执行的时候要加载到 JVM 中来，依据这个文件实例化出 n 个截然不同的实例
• class file 加载到 JVM 中，被称为 DNA 原数据模板，放在办法区
• 在 class 文件 -> JVM -> 最终成为原数据模板，此过程须要一个运输工具，即类加载器 Class Loader，表演一个快递员的角色

类的生命周期

1. 加载（Loading）：找 Class 文件
2. 验证（Verification）：验证格局、依赖
3. 筹备（Preparation）：动态字段、办法表
4. 解析（Resolution）：符号解析为援用
5. 初始化（Initialization）：结构器、动态变量赋值、动态代码块
6. 应用（Using）
7. 卸载（Unloading）

Loading 阶段

1. 通过一个类的全限定名获取定义此类的二进制字节流
2. 将这个字节流所代表的的动态存储构造转化为办法区的运行时数据区
3. 在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为办法区这个类的各种数据的拜访入口

补充：加载 class 文件的形式

• 从本地零碎中间接加载
• 通过网络获取，典型场景：Web Applet
• 从 zip 压缩包中读取，成为日后 jar、war 格局的根底
• 运行时计算生成，应用最多的是：动静代理技术
• 由其余文件生成，典型场景：JSP 利用
• 从专有数据库中提取 class 文件，比拟少见
• 从加密文件中获取，典型的防 class 文件被反编译的保护措施

Linking 阶段

1. 验证（Verify）：

• 目标在于确保 class 文件的字节流中蕴含信息合乎以后虚拟机要求，保障被加载类的正确性，不会危害虚拟机的本身平安
• 次要包含四种验证：文件格式验证，元数据验证，字节码验证，符号援用验证

2. 筹备（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
• 这里不蕴含用 final 润饰的 static，因为 final 在编译的时候就会调配了，筹备阶段会显示初始化
• 这里不会为实例变量调配初始值，类变量会调配在办法区中，而实例变量是会随着对象一起调配到 Java 堆中

3. 解析（Resolve）：

• 将常量池内的符号援用转换为间接援用的过程
• 事实上，解析操作往往会随同着 JVM 在执行完初始化之后再执行
• 符号援用就是一组符号来形容所援用的指标。符号援用的字面量模式明确定义在《Java 虚拟机标准》的 class 文件格式中。间接援用就是间接指向指标的指针、绝对偏移量或者一个间接定位到指标的句柄
• 解析动作次要针对类或接口、字段、类办法、接口办法、办法类型等。对应常量池中的 CONSTANT_Class_info、CONSTANT_Fieldref_info、CONSTANT_Methodref_info 等。

Initialization 阶段

• 初始化阶段就是执行类结构器办法 <clinit>() 的过程
• 此办法不须要定义，是 javac 编译器主动收集类中所有类变量的赋值动作和动态代码块中的语句合并而来
• 结构器办法中指令按语句在源文件中呈现的程序执行
• <clinit>() 不同于类的结构器。（关联：结构器是虚拟机视角下的 <init>()）
• 若该类具备父类，JVM 会保障子类的 <clinit>() 执行前，父类的 clinit() 曾经执行结束
• 虚拟机必须保障一个类的 clinit() 办法在多线程下被同步加载

类的加载机会

1. 当虚拟机启动时，初始化用户指定的主类，就是启动执行的 main 办法所在的类；
2. 当遇到用一新建指标类实例的 new 指令时，初始化 new 指令的指标类，就是 new 一个类的时候要初始化；
3. 当遇到调用静态方法的指令时，初始化该静态方法所在的类；
4. 当遇到拜访动态字段的指令时，初始化该动态字段所在的类；
5. 子类的初始化会触发父类的初始化；
6. 如果一个接口定义了 default 办法，那么间接实现或者间接实现该接口的类初始化，会触发该接口的初始化；
7. 应用反射 API 对某个类型进行反射调用时，初始化这个类，其实跟后面一样，反射调用要么是曾经有实例了，要么是静态方法，都须要初始化；
8. 当初次调用 MethodHandle 实例时，初始化该 MethodHandle 指向的办法所在的类；

不会初始化（可能会加载）

1. 通过子类援用父类的动态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化；
2. 定义对象数组，不会触发该类的初始化；
3. 常量在编译期间会存入调用类的常量池中，实质上并没有间接援用定义常量的类，不会触发定义常量所在的类；
4. 通过类名获取 Class 对象，不会触发类的初始化，Hello.class 不会让 Hello 类初始化；
5. 通过 Class.forName 加载指定类时，如果指定参数 initialize 为 false 时，也不会触发类初始化，其实这个参数是通知虚拟机，是否要对类进行初始化，Class.forName(“jvm.Hello”) 默认会加载 Hello 类；
6. 通过 ClassLoader 默认的 loadClass 办法，也不会触发初始化动作（加载了，然而不会初始化）；

虚拟机自带的加载器

• 启动类加载器（疏导类加载器，Bootstrap ClassLoader）

  • 这个类加载器应用 C/C++ 语言实现的，嵌套在 JVM 外部
  • 它用来加载 Java 的外围库（JAVA_HOME/jre/lib/rt.jar、resources.jar 或 sun.boot.class.path 门路下的内容），用于提供 JVM 本身须要的类
  • 并不继承自 java.lang.ClassLoader，没有父加载器。
  • 加载拓展类和应用程序类加载器，并指定为他们的父类加载器
  • 出于平安思考，Bootstrap 启动类加载器只加载包名为 java、javax、sun 等结尾的类

• 拓展类加载器（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 零碎属性所指定的目录中加载类库，或从 JDK 的装置目录的 jre/lib/ext 子目录（拓展目录）下加载类库。如果用户创立的 JAR 放在此目录下，也会主动由拓展类加载器加载

• 应用程序类加载器（零碎类加载器，AppClassLoader）

  • java 语言编写，由 sun.misc.Launcher$AppClassLoader 实现
  • 派生于 ClassLoader 类
  • 父类加载器为拓展类加载器
  • 他负责加载环境变量 classpath 或零碎属性 java.class.path 指定门路下的类库
  • 该类加载是程序中默认的类加载器，一般来说，Java 利用的类都是由它来实现加载
  • 通过 ClassLoader$getSystemClassLoader() 办法能够获取到该类加载器

类加载器能够通过 getParent 获取父加载器，这并不是继承关系，如果间接继承 ClassLoader 本人实现一个类加载器，且不指定父加载器，他的父加载器就是 AppClassLoader

任何 parent 为 null 的加载器，其父加载器为 BootstrapClassLoader

加载器特点

双亲委托

Java 虚拟机对 class 文件采纳的是按需加载的形式，也就是说当须要应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 虚拟机采纳的是双亲委派模式，即把申请交由父类解决，它是一种工作委派模式。

• 如果一个类加载器收到了类加载的申请，它并不会本人先去加载，而是把这个申请委托给父类的加载器去执行
• 如果父类加载器还存在其余父类加载器，则进一步向上委托，顺次递归申请最终将达到顶层的启动类加载器
• 如果父类加载器能够实现类的加载工作，就胜利返回，假使父类加载器无奈实现此加载工作，子加载器才会尝试本人去加载，这就是双亲委派机制

劣势

• 防止类的反复加载
• 爱护程序平安，避免外围 API 被随便篡改

沙箱平安机制

自定义 String 类，然而在加载自定义 String 类的时候会率先应用疏导类加载器加载，而疏导类加载器在加载过程中会率先加载 JDK 自带的文件（rt.jar 包中 java/lang/String.class），报错信息说没有 main 办法，就是因为加载的是 rt.jar 包中的 String 类。这样能够保障对 Java 外围源代码的爱护，这就是沙箱平安机制。

在 JVM 中示意两个 class 对象是否为同一个类存在两个必要条件：

• 类的残缺类名必须统一，包含包名
• 加载这个类的 ClassLoader（指 ClassLoader 实例对象）必须雷同

换句话说，在 JVM 中，即便这两个类对象（class 对象）来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机所加载，但只有加载它们的 ClassLoader 实例对象不同，那么这两个类对象也是不相等的。

JVM 必须晓得一个类型是由启动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援用作为类型信息的一部分保留在办法区中。当解析一个类型到另一个类型的援用的时候，JVM 须要保障这两个类型的类加载器是雷同的。

负责依赖

如果一个类依赖了其余的类，那么就须要先加载依赖的类。

缓存加载

类加载之后，就把它缓存起来，后续从缓存中获取

对于 ClassLoader

ClassLoader 类，它是一个抽象类，其后所有的类加载器都继承自 ClassLoader（不包含启动类加载器）

获取 ClassLoader 的路径

形式一：获取以后类的 ClassLoader

clazz.getClassLoader()

形式二：获取以后线程上下文的 ClassLoader

Thread.currentThread().getContextClassLoader()

形式三：获取零碎的 ClassLoader

ClassLoader.getSystemClassLoader()

形式四：获取调用者的 CLassLoader

DriverManager.getCallerClassLoader()

显示以后 ClassLoader 加载了哪些 Jar？

import java.lang.reflect.Field;
import java.net.URL;
import java.net.URLClassLoader;
import java.util.ArrayList;

public class JvmClassLoaderPrintPath {public static void main(String[] args) {
        // 启动类加载器
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        System.out.println("启动类加载器");
        for (URL url : urls) {System.out.println("===>" + url.toExternalForm());
        }

        // 拓展类加载器
        printClassLoader("拓展类加载器", JvmClassLoaderPrintPath.class.getClassLoader().getParent());
        // 利用类加载器
        printClassLoader("利用类加载器", JvmClassLoaderPrintPath.class.getClassLoader());

    }


    public static void printClassLoader(String name, ClassLoader classLoader) {if (classLoader != null) {System.out.println(name + "ClassLoader ->" + classLoader.toString());
            printUrlForClassLoader(classLoader);
        } else {System.out.println(name + "ClassLoader -> null");
        }
    }

    public static void printUrlForClassLoader(ClassLoader classLoader) {Object ucp = insightField(classLoader, "ucp");
        Object path = insightField(ucp, "path");
        ArrayList ps = (ArrayList) path;
        for (Object p : ps) {System.out.println("===>" + p.toString());
        }
    }

    private static Object insightField(Object obj, String fName) {
        try {
            Field f = null;
            if (obj instanceof URLClassLoader) {f = URLClassLoader.class.getDeclaredField(fName);
            } else {f = obj.getClass().getDeclaredField(fName);
            }
            f.setAccessible(true);
            return f.get(obj);
        } catch (Exception e) {e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }
}

启动类加载器
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/resources.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/rt.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/sunrsasign.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/jsse.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/jce.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/charsets.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/jfr.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/classes
拓展类加载器 ClassLoader -> sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@6d06d69c
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/sunec.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/nashorn.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/cldrdata.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/dnsns.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/localedata.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/sunjce_provider.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/sunpkcs11.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/jaccess.jar
 ===> file:/Users/yq/.sdkman/candidates/java/8.0.275.hs-adpt/jre/lib/ext/zipfs.jar
 ===> file:/System/Library/Java/Extensions/MRJToolkit.jar
利用类加载器 ClassLoader -> sun.misc.Launcher$AppClassLoader@659e0bfd
 ===> file:/Users/yq/code/wangyonghong/code-lab/gtu-java/out/production/gtu-java/

用户自定义类加载器

• 在 Java 的日常利用程序开发中，类的加载简直是由上述 3 品种加载器相互配合执行的，在必要时，咱们还能够自定义类加载器，来定制类的加载形式

• 为什么要自定义类加载器

  • 隔离加载类
  • 批改类加载形式
  • 拓展加载源
  • 避免源码泄露
• 开发人员能够通过继承抽象类 java.lang.ClassLoader 类的形式，实现本人的类加载器，以满足一些非凡需要
• 在 JDK 1.2 之前，在自定义类加载器时，总会去继承 ClassLoader 类并重写 loadClass() 办法，从而实现自定义的类加载器类，然而在 JDK 1.2 之后已不再倡议用户去笼罩 loadClass() 办法，而是倡议把自定义的类加载逻辑写在 findClass() 办法中
• 在编写自定义类加载器时，如果没有太过于简单的需要，能够间接继承 URLClassLoader 类，这样就能够防止本人去编写 findClass() 办法以及获取字节码流的形式，使自定义类加载器编写更加简略

public class Hello {public void hello() {System.out.println("Hello, classLoader!");
    }
}

通过以下办法拿到 base64

$ javac Hello.java
$ base64 Hello.class 
yv66vgAAADQAHAoABgAOCQAPABAIABEKABIAEwcAFAcAFQEABjxpbml0PgEAAygpVgEABENvZGUBAA9MaW5lTnVtYmVyVGFibGUBAAVoZWxsbwEAClNvdXJjZUZpbGUBAApIZWxsby5qYXZhDAAHAAgHABYMABcAGAEAE0hlbGxvLCBjbGFzc0xvYWRlciEHABkMABoAGwEABUhlbGxvAQAQamF2YS9sYW5nL09iamVjdAEAEGphdmEvbGFuZy9TeXN0ZW0BAANvdXQBABVMamF2YS9pby9QcmludFN0cmVhbTsBABNqYXZhL2lvL1ByaW50U3RyZWFtAQAHcHJpbnRsbgEAFShMamF2YS9sYW5nL1N0cmluZzspVgAhAAUABgAAAAAAAgABAAcACAABAAkAAAAdAAEAAQAAAAUqtwABsQAAAAEACgAAAAYAAQAAAAQAAQALAAgAAQAJAAAAJQACAAEAAAAJsgACEgO2AASxAAAAAQAKAAAACgACAAAABgAIAAcAAQAMAAAAAgAN

通过以下办法能够自定义 ClassLoader

import java.util.Base64;

/**
 * @author yonghongwang#163.com
 * @since 2021/4/2
 */
public class HelloClassLoader extends ClassLoader {public static void main(String[] args) {
        try {new HelloClassLoader().findClass("Hello").newInstance();} catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();
        } catch (ClassNotFoundException e) {e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        String helloBase64 = "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";
        byte[] bytes = decode(helloBase64);
        return defineClass(name, bytes, 0, bytes.length);
    }

    private byte[] decode(String base64) {return Base64.getDecoder().decode(base64);
    }
}

增加类的几种形式？

1. 放到 JDK 的 lib/ext 下，或者 -Djava.ext.dirs=path
2. java -cp/classpath 或者 class 文件放到以后门路
3. 自定义 ClassLoader 加载
4. 拿到以后执行类的 ClassLoader，反射调用 addUrl 办法增加 Jar 或门路（JDK 9 之后平级了，能够应用 Class.forName("xxx", new URLClassLoader("path"));）

练习

自定义一个 Classloader，加载一个 Hello.xlass 文件，执行 hello 办法，此文件内容是一个 Hello.class 文件所有字节 (x=255-x) 解决后的文件。

题解

import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.UnsupportedEncodingException;
import java.lang.reflect.InvocationTargetException;
import java.lang.reflect.Method;
import java.net.URLDecoder;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.nio.channels.FileChannel;

/**
 * @author yonghongwang#163.com
 */
public class MyClassloader extends ClassLoader {public static void main(String[] args) {Class<?> helloClass = new MyClassloader().findClass("Hello");
        Method helloMethod = null;
        try {helloMethod = helloClass.getMethod("hello");
        } catch (NoSuchMethodException e) {e.printStackTrace();
        }
        try {helloMethod.invoke(helloClass.newInstance());
        } catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();
        } catch (InvocationTargetException e) {e.printStackTrace();
        } catch (InstantiationException e) {e.printStackTrace();
        }
    }

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) {String path = this.getClass().getResource("Hello.xlass").getPath();
        File file;
        try {file = new File(URLDecoder.decode(path, "UTF-8"));
        } catch (UnsupportedEncodingException e) {throw new RuntimeException("failed to find path:" + path);
        }
        byte[] bytes;
        if (file.isFile() && file.exists()) {try (FileChannel channel = new FileInputStream(file).getChannel()) {ByteBuffer byteBuffer = ByteBuffer.allocate((int) channel.size());
                channel.read(byteBuffer);
                bytes = byteBuffer.array();} catch (IOException e) {throw new RuntimeException("failed to find path:" + path);
            }
        } else {throw new RuntimeException("failed to find path:" + path);
        }
        return defineClass(name, decode(bytes), 0, bytes.length);
    }

    /**
     * replace each byte with x->255-x
     */
    private byte[] decode(byte[] bytes) {for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {//            bytes[i] = (byte) (255 - bytes[i]);
            bytes[i] = (byte) ~bytes[i];
        }
        return bytes;
    }
}