JVM熱點(diǎn)技術(shù)：Java類的加載機(jī)制
1、什么是類的加載
類的加載指的是將類的.class文件中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中，將其放在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)的方法區(qū)內(nèi)，然后在堆區(qū)創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class對(duì)象，用來(lái)封裝類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。類的加載的最終產(chǎn)品是位于堆區(qū)中的Class對(duì)象，Class對(duì)象封裝了類在方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且向Java程序員提供了訪問(wèn)方法區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的接口。
類加載器并不需要等到某個(gè)類被“***主動(dòng)使用”時(shí)再加載它，JVM規(guī)范允許類加載器在預(yù)料某個(gè)類將要被使用時(shí)就預(yù)先加載它，如果在預(yù)先加載的過(guò)程中遇到了.class文件缺失或存在錯(cuò)誤，類加載器必須在程序***主動(dòng)使用該類時(shí)才報(bào)告錯(cuò)誤（LinkageError錯(cuò)誤）如果這個(gè)類一直沒(méi)有被程序主動(dòng)使用，那么類加載器就不會(huì)報(bào)告錯(cuò)誤
2、類的生命周期
其中類加載的過(guò)程包括了加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備、解析、初始化五個(gè)階段。在這五個(gè)階段中，加載、驗(yàn)證、準(zhǔn)備和初始化這四個(gè)階段發(fā)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后開始，這是為了支持Java語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)綁定（也成為動(dòng)態(tài)綁定或晚期綁定）。另外注意這里的幾個(gè)階段是按順序開始，而不是按順序進(jìn)行或完成，因?yàn)檫@些階段通常都是互相交叉地混合進(jìn)行的，通常在一個(gè)階段執(zhí)行的過(guò)程中調(diào)用或激活另一個(gè)階段。
•加載：查找并加載類的二進(jìn)制數(shù)據(jù)
加載時(shí)類加載過(guò)程的***個(gè)階段，在加載階段，虛擬機(jī)需要完成以下三件事情：
1、通過(guò)一個(gè)類的全限定名來(lái)獲取其定義的二進(jìn)制字節(jié)流。
2、將這個(gè)字節(jié)流所代表的靜態(tài)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為方法區(qū)的運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
3、在Java堆中生成一個(gè)代表這個(gè)類的java.lang.Class對(duì)象，作為對(duì)方法區(qū)中這些數(shù)據(jù)的訪問(wèn)入口。
相對(duì)于類加載的其他階段而言，加載階段（準(zhǔn)確地說(shuō)，是加載階段獲取類的二進(jìn)制字節(jié)流的動(dòng)作）是可控性***的階段，因?yàn)殚_發(fā)人員既可以使用系統(tǒng)提供的類加載器來(lái)完成加載，也可以自定義自己的類加載器來(lái)完成加載。
加載階段完成后，虛擬機(jī)外部的 二進(jìn)制字節(jié)流就按照虛擬機(jī)所需的格式存儲(chǔ)在方法區(qū)之中，而且在Java堆中也創(chuàng)建一個(gè)java.lang.Class類的對(duì)象，這樣便可以通過(guò)該對(duì)象訪問(wèn)方法區(qū)中的這些數(shù)據(jù)。
•連接
– 驗(yàn)證：確保被加載的類的正確性
驗(yàn)證是連接階段的***步，這一階段的目的是為了確保Class文件的字節(jié)流中包含的信息符合當(dāng)前虛擬機(jī)的要求，并且不會(huì)危害虛擬機(jī)自身的安全。驗(yàn)證階段大致會(huì)完成4個(gè)階段的檢驗(yàn)動(dòng)作：
文件格式驗(yàn)證：驗(yàn)證字節(jié)流是否符合Class文件格式的規(guī)范；例如：是否以0xCAFEBABE開頭、主次版本號(hào)是否在當(dāng)前虛擬機(jī)的處理范圍之內(nèi)、常量池中的常量是否有不被支持的類型。
元數(shù)據(jù)驗(yàn)證：對(duì)字節(jié)碼描述的信息進(jìn)行語(yǔ)義分析（注意：對(duì)比javac編譯階段的語(yǔ)義分析），以保證其描述的信息符合Java語(yǔ)言規(guī)范的要求；例如：這個(gè)類是否有父類，除了java.lang.Object之外。
字節(jié)碼驗(yàn)證：通過(guò)數(shù)據(jù)流和控制流分析，確定程序語(yǔ)義是合法的、符合邏輯的。
符號(hào)引用驗(yàn)證：確保解析動(dòng)作能正確執(zhí)行。
驗(yàn)證階段是非常重要的，但不是必須的，它對(duì)程序運(yùn)行期沒(méi)有影響，如果所引用的類經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證，那么可以考慮采用-Xverifynone參數(shù)來(lái)關(guān)閉大部分的類驗(yàn)證措施，以縮短虛擬機(jī)類加載的時(shí)間。
– 準(zhǔn)備：為類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并將其初始化為默認(rèn)值
準(zhǔn)備階段是正式為類變量分配內(nèi)存并設(shè)置類變量初始值的階段，這些內(nèi)存都將在方法區(qū)中分配。對(duì)于該階段有以下幾點(diǎn)需要注意：
1、這時(shí)候進(jìn)行內(nèi)存分配的僅包括類變量（static），而不包括實(shí)例變量，實(shí)例變量會(huì)在對(duì)象實(shí)例化時(shí)隨著對(duì)象一塊分配在Java堆中。
2、這里所設(shè)置的初始值通常情況下是數(shù)據(jù)類型默認(rèn)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(shè)一個(gè)類變量的定義為：public static int value = 3；
那么變量value在準(zhǔn)備階段過(guò)后的初始值為0，而不是3，因?yàn)檫@時(shí)候尚未開始執(zhí)行任何Java方法，而把value賦值為3的putstatic指令是在程序編譯后，存放于類構(gòu)造器<clinit>（）方法之中的，所以把value賦值為3的動(dòng)作將在初始化階段才會(huì)執(zhí)行。
這里還需要注意如下幾點(diǎn)：
- · 對(duì)基本數(shù)據(jù)類型來(lái)說(shuō)，對(duì)于類變量（static）和全局變量，如果不顯式地對(duì)其賦值而直接使用，則系統(tǒng)會(huì)為其賦予默認(rèn)的零值，而對(duì)于局部變量來(lái)說(shuō)，在使用前必須顯式地為其賦值，否則編譯時(shí)不通過(guò)。
- · 對(duì)于同時(shí)被static和final修飾的常量，必須在聲明的時(shí)候就為其顯式地賦值，否則編譯時(shí)不通過(guò)；而只被final修飾的常量則既可以在聲明時(shí)顯式地為其賦值，也可以在類初始化時(shí)顯式地為其賦值，總之，在使用前必須為其顯式地賦值，系統(tǒng)不會(huì)為其賦予默認(rèn)零值。
- · 對(duì)于引用數(shù)據(jù)類型reference來(lái)說(shuō)，如數(shù)組引用、對(duì)象引用等，如果沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行顯式地賦值而直接使用，系統(tǒng)都會(huì)為其賦予默認(rèn)的零值，即null。
- · 如果在數(shù)組初始化時(shí)沒(méi)有對(duì)數(shù)組中的各元素賦值，那么其中的元素將根據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類型而被賦予默認(rèn)的零值。
3、如果類字段的字段屬性表中存在ConstantValue屬性，即同時(shí)被final和static修飾，那么在準(zhǔn)備階段變量value就會(huì)被初始化為ConstValue屬性所指定的值。
假設(shè)上面的類變量value被定義為： public static final int value = 3；
編譯時(shí)Javac將會(huì)為value生成ConstantValue屬性，在準(zhǔn)備階段虛擬機(jī)就會(huì)根據(jù)ConstantValue的設(shè)置將value賦值為3。回憶上一篇博文中對(duì)象被動(dòng)引用的第2個(gè)例子，便是這種情況。我們可以理解為static final常量在編譯期就將其結(jié)果放入了調(diào)用它的類的常量池中
– 解析：把類中的符號(hào)引用轉(zhuǎn)換為直接引用
解析階段是虛擬機(jī)將常量池內(nèi)的符號(hào)引用替換為直接引用的過(guò)程，解析動(dòng)作主要針對(duì)類或接口、字段、類方法、接口方法、方法類型、方法句柄和調(diào)用點(diǎn)限定符7類符號(hào)引用進(jìn)行。符號(hào)引用就是一組符號(hào)來(lái)描述目標(biāo)，可以是任何字面量。
直接引用就是直接指向目標(biāo)的指針、相對(duì)偏移量或一個(gè)間接定位到目標(biāo)的句柄。
•初始化
初始化，為類的靜態(tài)變量賦予正確的初始值，JVM負(fù)責(zé)對(duì)類進(jìn)行初始化，主要對(duì)類變量進(jìn)行初始化。在Java中對(duì)類變量進(jìn)行初始值設(shè)定有兩種方式：
①聲明類變量是指定初始值
②使用靜態(tài)代碼塊為類變量指定初始值
JVM初始化步驟
1、假如這個(gè)類還沒(méi)有被加載和連接，則程序先加載并連接該類
2、假如該類的直接父類還沒(méi)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(yǔ)句，則系統(tǒng)依次執(zhí)行這些初始化語(yǔ)句
類初始化時(shí)機(jī)：只有當(dāng)對(duì)類的主動(dòng)使用的時(shí)候才會(huì)導(dǎo)致類的初始化，類的主動(dòng)使用包括以下六種：
– 創(chuàng)建類的實(shí)例，也就是new的方式
– 訪問(wèn)某個(gè)類或接口的靜態(tài)變量，或者對(duì)該靜態(tài)變量賦值
– 調(diào)用類的靜態(tài)方法
– 反射（如Class.forName(“com.shengsiyuan.Test”)）
– 初始化某個(gè)類的子類，則其父類也會(huì)被初始化
– Java虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)被標(biāo)明為啟動(dòng)類的類（Java Test），直接使用java.exe命令來(lái)運(yùn)行某個(gè)主類
結(jié)束生命周期
•在如下幾種情況下，Java虛擬機(jī)將結(jié)束生命周期
– 執(zhí)行了System.exit()方法
– 程序正常執(zhí)行結(jié)束
– 程序在執(zhí)行過(guò)程中遇到了異常或錯(cuò)誤而異常終止
– 由于操作系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤而導(dǎo)致Java虛擬機(jī)進(jìn)程終止
3、類加載器
尋找類加載器，先來(lái)一個(gè)小例子
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package com.neo.classloader;public class ClassLoaderTest { public static void main(String[] args) { ClassLoader loader = Thread.currentThread().getContextClassLoader(); System.out.println(loader); System.out.println(loader.getParent()); System.out.println(loader.getParent().getParent()); }} |
運(yùn)行后，輸出結(jié)果：
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sun.misc.Launcher$AppClassLoader@64fef26asun.misc.Launcher$ExtClassLoader@1ddd40f3null |
從上面的結(jié)果可以看出，并沒(méi)有獲取到ExtClassLoader的父Loader，原因是Bootstrap Loader（引導(dǎo)類加載器）是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，找不到一個(gè)確定的返回父Loader的方式，于是就返回null。
這幾種類加載器的層次關(guān)系如下圖所示：
注意：這里父類加載器并不是通過(guò)繼承關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是采用組合實(shí)現(xiàn)的。
站在Java虛擬機(jī)的角度來(lái)講，只存在兩種不同的類加載器：?jiǎn)?dòng)類加載器：它使用C++實(shí)現(xiàn)（這里僅限于Hotspot，也就是JDK1.5之后默認(rèn)的虛擬機(jī)，有很多其他的虛擬機(jī)是用Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的），是虛擬機(jī)自身的一部分；所有其他的類加載器：這些類加載器都由Java語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立于虛擬機(jī)之外，并且全部繼承自抽象類java.lang.ClassLoader，這些類加載器需要由啟動(dòng)類加載器加載到內(nèi)存中之后才能去加載其他的類。
站在Java開發(fā)人員的角度來(lái)看，類加載器可以大致劃分為以下三類：
啟動(dòng)類加載器：Bootstrap ClassLoader，負(fù)責(zé)加載存放在JDK\jre\lib(JDK代表JDK的安裝目錄，下同)下，或被-Xbootclasspath參數(shù)指定的路徑中的，并且能被虛擬機(jī)識(shí)別的類庫(kù)（如rt.jar，所有的java.*開頭的類均被Bootstrap ClassLoader加載）。啟動(dòng)類加載器是無(wú)法被Java程序直接引用的。
擴(kuò)展類加載器：Extension ClassLoader，該加載器由sun.misc.Launcher$ExtClassLoader實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載DK\jre\lib\ext目錄中，或者由java.ext.dirs系統(tǒng)變量指定的路徑中的所有類庫(kù)（如javax.*開頭的類），開發(fā)者可以直接使用擴(kuò)展類加載器。
應(yīng)用程序類加載器：Application ClassLoader，該類加載器由sun.misc.Launcher$AppClassLoader來(lái)實(shí)現(xiàn)，它負(fù)責(zé)加載用戶類路徑（ClassPath）所指定的類，開發(fā)者可以直接使用該類加載器，如果應(yīng)用程序中沒(méi)有自定義過(guò)自己的類加載器，一般情況下這個(gè)就是程序中默認(rèn)的類加載器。
應(yīng)用程序都是由這三種類加載器互相配合進(jìn)行加載的，如果有必要，我們還可以加入自定義的類加載器。因?yàn)镴VM自帶的ClassLoader只是懂得從本地文件系統(tǒng)加載標(biāo)準(zhǔn)的java class文件，因此如果編寫了自己的ClassLoader，便可以做到如下幾點(diǎn)：
1）在執(zhí)行非置信代碼之前，自動(dòng)驗(yàn)證數(shù)字簽名。
2）動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建符合用戶特定需要的定制化構(gòu)建類。
3）從特定的場(chǎng)所取得java class，例如數(shù)據(jù)庫(kù)中和網(wǎng)絡(luò)中。
JVM類加載機(jī)制
•全盤負(fù)責(zé)，當(dāng)一個(gè)類加載器負(fù)責(zé)加載某個(gè)Class時(shí)，該Class所依賴的和引用的其他Class也將由該類加載器負(fù)責(zé)載入，除非顯示使用另外一個(gè)類加載器來(lái)載入
•父類委托，先讓父類加載器試圖加載該類，只有在父類加載器無(wú)法加載該類時(shí)才嘗試從自己的類路徑中加載該類
•緩存機(jī)制，緩存機(jī)制將會(huì)保證所有加載過(guò)的Class都會(huì)被緩存，當(dāng)程序中需要使用某個(gè)Class時(shí)，類加載器先從緩存區(qū)尋找該Class，只有緩存區(qū)不存在，系統(tǒng)才會(huì)讀取該類對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成Class對(duì)象，存入緩存區(qū)。這就是為什么修改了Class后，必須重啟JVM，程序的修改才會(huì)生效
4、類的加載
類加載有三種方式：
1、命令行啟動(dòng)應(yīng)用時(shí)候由JVM初始化加載
2、通過(guò)Class.forName()方法動(dòng)態(tài)加載
3、通過(guò)ClassLoader.loadClass()方法動(dòng)態(tài)加載
例子：
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package com.neo.classloader;public class loaderTest { public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { ClassLoader loader = HelloWorld.class.getClassLoader(); System.out.println(loader); //使用ClassLoader.loadClass()來(lái)加載類，不會(huì)執(zhí)行初始化塊 loader.loadClass("Test2"); //使用Class.forName()來(lái)加載類，默認(rèn)會(huì)執(zhí)行初始化塊 // Class.forName("Test2"); //使用Class.forName()來(lái)加載類，并指定ClassLoader，初始化時(shí)不執(zhí)行靜態(tài)塊 // Class.forName("Test2", false, loader); } } |
demo類
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public class Test2 { static { System.out.println("靜態(tài)初始化塊執(zhí)行了！"); } } |
分別切換加載方式，會(huì)有不同的輸出結(jié)果。
Class.forName()和ClassLoader.loadClass()區(qū)別
Class.forName()：將類的.class文件加載到j(luò)vm中之外，還會(huì)對(duì)類進(jìn)行解釋，執(zhí)行類中的static塊；
ClassLoader.loadClass()：只干一件事情，就是將.class文件加載到j(luò)vm中，不會(huì)執(zhí)行static中的內(nèi)容,只有在newInstance才會(huì)去執(zhí)行static塊。
注：
Class.forName(name, initialize, loader)帶參函數(shù)也可控制是否加載static塊。并且只有調(diào)用了newInstance()方法采用調(diào)用構(gòu)造函數(shù)，創(chuàng)建類的對(duì)象 。
5、雙親委派模型
雙親委派模型的工作流程是：如果一個(gè)類加載器收到了類加載的請(qǐng)求，它首先不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類，而是把請(qǐng)求委托給父加載器去完成，依次向上，因此，所有的類加載請(qǐng)求最終都應(yīng)該被傳遞到頂層的啟動(dòng)類加載器中，只有當(dāng)父加載器在它的搜索范圍中沒(méi)有找到所需的類時(shí)，即無(wú)法完成該加載，子加載器才會(huì)嘗試自己去加載該類。
雙親委派機(jī)制:
1、當(dāng)AppClassLoader加載一個(gè)class時(shí)，它首先不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類，而是把類加載請(qǐng)求委派給父類加載器ExtClassLoader去完成。
2、當(dāng)ExtClassLoader加載一個(gè)class時(shí)，它首先也不會(huì)自己去嘗試加載這個(gè)類，而是把類加載請(qǐng)求委派給BootStrapClassLoader去完成。
3、如果BootStrapClassLoader加載失敗（例如在$JAVA_HOME/jre/lib里未查找到該class），會(huì)使用ExtClassLoader來(lái)嘗試加載；
4、若ExtClassLoader也加載失敗，則會(huì)使用AppClassLoader來(lái)加載，如果AppClassLoader也加載失敗，則會(huì)報(bào)出異常ClassNotFoundException。
ClassLoader源碼分析：
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public Class<?> loadClass(String name)throws ClassNotFoundException { return loadClass(name, false); } protected synchronized Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)throws ClassNotFoundException { // 首先判斷該類型是否已經(jīng)被加載 Class c = findLoadedClass(name); if (c == null) { //如果沒(méi)有被加載，就委托給父類加載或者委派給啟動(dòng)類加載器加載 try { if (parent != null) { //如果存在父類加載器，就委派給父類加載器加載 c = parent.loadClass(name, false); } else { //如果不存在父類加載器，就檢查是否是由啟動(dòng)類加載器加載的類，通過(guò)調(diào)用本地方法native Class findBootstrapClass(String name) c = findBootstrapClass0(name); } } catch (ClassNotFoundException e) { // 如果父類加載器和啟動(dòng)類加載器都不能完成加載任務(wù)，才調(diào)用自身的加載功能 c = findClass(name); } } if (resolve) { resolveClass(c); } return c; } |
雙親委派模型意義：
-系統(tǒng)類防止內(nèi)存中出現(xiàn)多份同樣的字節(jié)碼
-保證Java程序安全穩(wěn)定運(yùn)行
6、自定義類加載器
通常情況下，我們都是直接使用系統(tǒng)類加載器。但是，有的時(shí)候，我們也需要自定義類加載器。比如應(yīng)用是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸 Java 類的字節(jié)碼，為保證安全性，這些字節(jié)碼經(jīng)過(guò)了加密處理，這時(shí)系統(tǒng)類加載器就無(wú)法對(duì)其進(jìn)行加載，這樣則需要自定義類加載器來(lái)實(shí)現(xiàn)。自定義類加載器一般都是繼承自 ClassLoader 類，從上面對(duì) loadClass 方法來(lái)分析來(lái)看，我們只需要重寫 findClass 方法即可。下面我們通過(guò)一個(gè)示例來(lái)演示自定義類加載器的流程：
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package com.neo.classloader;import java.io.*;public class MyClassLoader extends ClassLoader { private String root; protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException { byte[] classData = loadClassData(name); if (classData == null) { throw new ClassNotFoundException(); } else { return defineClass(name, classData, 0, classData.length); } } private byte[] loadClassData(String className) { String fileName = root + File.separatorChar + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class"; try { InputStream ins = new FileInputStream(fileName); ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream(); int bufferSize = 1024; byte[] buffer = new byte[bufferSize]; int length = 0; while ((length = ins.read(buffer)) != -1) { baos.write(buffer, 0, length); } return baos.toByteArray(); } catch (IOException e) { e.printStackTrace(); } return null; } public String getRoot() { return root; } public void setRoot(String root) { this.root = root; } public static void main(String[] args) { MyClassLoader classLoader = new MyClassLoader(); classLoader.setRoot("E:\\temp"); Class<?> testClass = null; try { testClass = classLoader.loadClass("com.neo.classloader.Test2"); Object object = testClass.newInstance(); System.out.println(object.getClass().getClassLoader()); } catch (ClassNotFoundException e) { e.printStackTrace(); } catch (InstantiationException e) { e.printStackTrace(); } catch (IllegalAccessException e) { e.printStackTrace(); } }} |
自定義類加載器的核心在于對(duì)字節(jié)碼文件的獲取，如果是加密的字節(jié)碼則需要在該類中對(duì)文件進(jìn)行解密。由于這里只是演示，我并未對(duì)class文件進(jìn)行加密，因此沒(méi)有解密的過(guò)程。這里有幾點(diǎn)需要注意：
1、這里傳遞的文件名需要是類的全限定性名稱，即com.paddx.test.classloading.Test格式的，因?yàn)?nbsp;defineClass 方法是按這種格式進(jìn)行處理的。
2、***不要重寫loadClass方法，因?yàn)檫@樣容易破壞雙親委托模式。
3、這類Test 類本身可以被 AppClassLoader 類加載，因此我們不能把 com/paddx/test/classloading/Test.class 放在類路徑下。否則，由于雙親委托機(jī)制的存在，會(huì)直接導(dǎo)致該類由AppClassLoader 加載，而不會(huì)通過(guò)我們自定義類加載器來(lái)加載。
參考：
http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/17881581
https://segmentfault.com/a/1190000005608960
http://www.importnew.com/18548.html
