一篇帶給你JVM 類加載過程解析

作者：老鄭 2022-01-14 11:45:40

開發(fā) 后端

一個類型被加載到虛擬機內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止、它的整個生命周期將會經(jīng)歷加載、驗證、準備、解析、初始化、使用、卸載七個階段。

類加載過程

類加載的時機

一個類型被加載到虛擬機內(nèi)存中開始，到卸載出內(nèi)存為止、它的整個生命周期將會經(jīng)歷加載、驗證、準備、解析、初始化、使用、卸載七個階段。其中驗證、準備、解析為連接

類被主動加載的 7 種情況

創(chuàng)建類的實例, 比如：new Object();
訪問某個類或接口的靜態(tài)變量，或者對該靜態(tài)變量賦值;
調(diào)用類的靜態(tài)方法;
反射(如 Class.forName("com.test.Test");
初始化一個類的子類;
Java虛擬機啟動時被標記為啟動類的類, 就是包含 main 方法的類(Java Test);
JDK1.7開始提供的動態(tài)語言支持，java.lang.invoke.MethodHandle實例的解析結(jié)果REF_getStatic, REF_putStatic,;

REF_invokeStatic句柄對應的類沒有被初始化則初始化。

其它加載情況

當 Java 虛擬機初始化一個類時，要求它所有的父類都被初始化，單這一條規(guī)則并不適用于接口。

在初始化一個類時，并不會先初始化它所實現(xiàn)的接口
在初始化一個接口時，并不會先初始化它的父類接口
因此，一個父接口并不會因為他的子接口或者實現(xiàn)了類的初始化而初始化，只有當程序首次被使用特定接口的靜態(tài)變量時，才會導致該接口的初始化。

只有當前程序訪問的靜態(tài)變量或靜態(tài)方法確實在當前類或當前接口定義時，才可認為是對接口或類的主動使用。

調(diào)用 ClassLoader 類的 loadClass 方法加載一類，并不是對類的主動使用，不會導致類的初始化。

測試例子 1：

public class Test_2 extends Test_2_A { 
    static { 
        System.out.println("子類靜態(tài)代碼塊"); 
    } 
 
    { 
        System.out.println("子類代碼塊"); 
    } 
 
    public Test_2() { 
        System.out.println("子類構造方法"); 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
        new Test_2(); 
    } 
 
} 
 
class Test_2_A { 
 
    static { 
        System.out.println("父類靜態(tài)代碼塊"); 
    } 
 
    { 
        System.out.println("父類代碼塊"); 
    } 
 
    public Test_2_A() { 
        System.out.println("父類構造方法"); 
    } 
 
    public static void find() { 
        System.out.println("靜態(tài)方法"); 
    } 
} 
 
//代碼塊和構造方法執(zhí)行順序 
//1).父類靜態(tài)代碼塊 
//2).子類靜態(tài)代碼塊 
//3).父類代碼塊 
//4).父類構造方法 
//5).子類代碼塊 
//6).子類構造方法

測試例子 2：

public class Test_1 { 
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println(Test_1_B.str); 
    } 
} 
 
class Test_1_A { 
    public static String str = "A str"; 
 
    static { 
        System.out.println("A Static Block"); 
    } 
} 
 
class Test_1_B extends Test_1_A { 
    static { 
        System.out.println("B Static Block"); 
    } 
} 
 
//輸出結(jié)果 
//A Static Block 
//A str

類加載流程

加載

在硬盤上查找并且通過 IO 讀入字節(jié)碼文件，使用到該類的時候才會被加載，例如調(diào)用 main 方法， new 關鍵字調(diào)用對象等，在加載階段會在內(nèi)存中生成這個類的 java.lang.Class 對象, 作為方法區(qū)這個類的各種數(shù)據(jù)的訪問入口。

驗證

校驗字節(jié)碼文件的正確性

準備

給類的靜態(tài)變量分配內(nèi)存，并且賦予默認值

解析

將符號引用替換為直接引用，該節(jié)點會把一些靜態(tài)方法(符號引用，比如 main() 方法)替換為指向數(shù)據(jù)所存內(nèi)存的指針或句柄等(直接引用)，這就是所謂的靜態(tài)鏈接過程(類加載期間完成)，動態(tài)鏈接是在程序運行期間完成的將符號引用替換為直接引用。

初始化

對類的靜態(tài)變量初始化為指定的值，執(zhí)行靜態(tài)代碼塊。

類加載器

**_引導類加載器(Bootstrap Class Loader) _**負責加載 \lib\ 目錄或者被 -Dbootclaspath 參數(shù)指定的類, 比如: rt.jar, tool.jar 等。
拓展類加載器(Extension Class Loader) 負責加載 \lib\ext\ 或 -Djava.ext.dirs 選項所指定目錄下的類和 jar包。
應用程序類加載器(System Class Loader) 負責加載 CLASSPATH 或 -Djava.class.path所指定的目錄下的類和 jar 包。
自定義類加載器：負責加載用戶自定義包路徑下的類包，通過 ClassLoader 的子類實現(xiàn) Class 的加載。

測試文件：

public class TestJVMClassLoader { 
 
    public static void main(String[] args) { 
        System.out.println(String.class.getClassLoader()); 
        System.out.println(DESKeyFactory.class.getClassLoader()); 
        System.out.println(TestJVMClassLoader.class.getClassLoader()); 
 
        System.out.println(); 
        ClassLoader appClassLoader = ClassLoader.getSystemClassLoader(); 
        ClassLoader extClassLoader = appClassLoader.getParent(); 
        ClassLoader bootstrapClassLoader = extClassLoader.getParent(); 
 
        System.out.println("bootstrapClassLoader: " + bootstrapClassLoader); 
        System.out.println("extClassLoader: " + extClassLoader); 
        System.out.println("appClassLoader: " + appClassLoader); 
 
        System.out.println(); 
        System.out.println("bootstrapLoader 加載以下文件："); 
        URL[] urls = Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs(); 
        for (URL url : urls) { 
            System.out.println(url); 
        } 
        System.out.println(); 
        System.out.println("extClassLoader 加載以下文件："); 
        System.out.println(System.getProperty("java.ext.dirs")); 
        System.out.println(); 
        System.out.println("appClassLoader 加載以下文件："); 
        System.out.println(System.getProperty("java.class.path")); 
    } 
}

雙親委派機制

什么是雙親委派機制?

一個類加載器收到了類加載的請求，它首先不會自己去嘗試自己去加載這個類，而是把這個請求委派給父類加載器去完成，每一個層次的類加載器都是如此，因此所有的請求最終都應該傳送到最頂層的啟動類加載器中，只有當父加載器反饋自己無法完成這個加載請求(即搜索范圍中沒有找到所需的類)時，子加載器才會嘗試自己完成加載。

類加載和雙親委派模型如下圖所示

我們再來看看 ClassLoader 類的 loadClass 方法

// loadClass 
protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve) 
  throws ClassNotFoundException 
{ 
  synchronized (getClassLoadingLock(name)) { 
    // 首先檢查當前類是否被加載 
    Class<?> c = findLoadedClass(name); 
    if (c == null) { 
      long t0 = System.nanoTime(); 
      try { 
        if (parent != null) { 
          // 如果父類類加載器不為空，先嘗試父類加載來加載 
          c = parent.loadClass(name, false); 
        } else { 
          // 引導類加載器嘗試加載 
          c = findBootstrapClassOrNull(name); 
        } 
      } catch (ClassNotFoundException e) { 
        // ClassNotFoundException thrown if class not found 
        // from the non-null parent class loader 
      } 
 
      if (c == null) { 
        // If still not found, then invoke findClass in order 
        // to find the class. 
        long t1 = System.nanoTime(); 
        // 嘗試自己加載  
        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; 
  } 
} 
 
 
// 類加載器的包含關系 
public abstract class ClassLoader { 
 
    private static native void registerNatives(); 
    static { 
        registerNatives(); 
    } 
   
   // 當前 ClassLoader 和 parent ClassLoader 的包含關系 
    private final ClassLoader parent; 
   
}

總結(jié)：

不是樹形結(jié)構(只是邏輯樹形結(jié)構)，而是包含/包裝關系。
加載順序，應用類加載器，拓展加載器，系統(tǒng)加載器。
如果有一個類加載器能夠成功加載 Test 類，那么這個類加載器被稱為定義類加載器，所有可能返回 Class 對象引用的類加載器(包括定義類加載器)都被稱為初始類加載器。

設計雙親委派機制的目的?

保證 Java 核心庫的類型安全：所有的java 應用都會至少引用 java.lang.Object 類，也就是說在運行期， java.lang.Object 的這個類會被加載到 Java 虛擬機中，如果這個加載過程是由 Java 應用自己的類加載器所完成的，那么很有可能會在 JVM 中存在多個版本的 java.lang.Object 類，而且這些類之間還是不兼容的。互不可見的(正是命名空間發(fā)揮著作用)借助于雙親委托機制，Java 核心庫中的類加載工作都是由啟動類加載器統(tǒng)一來完成的。從而確保了Java 應用所使用的都是同一個版本的 Java 核心類庫，他們之間是相互兼容的。
可以確保 Java 核心庫所提供的類不會被自定義的類所替代。
不同的類加載器可以為相同類(binary name)的類創(chuàng)建額外的命名空間。相同名稱的類可以并存在Java虛擬機中，只需要不同的類加載器來加載他們即可，不同的類加載器的類之間是不兼容的，這相當于在JAVA虛擬機內(nèi)部創(chuàng)建了一個又一個相互隔離的Java類空間，這類技術在很多框架中得到了實際運用。

自定義類加載器

自定義類加載器加載類，下面是一個簡單的 Demo

import java.io.ByteArrayOutputStream; 
import java.io.File; 
import java.io.FileInputStream; 
import java.io.InputStream; 
 
public class ClassLoaderTest extends ClassLoader { 
 
    private static String rxRootPath; 
 
    static { 
        rxRootPath = "/temp/class/"; 
    } 
 
    @Override 
    public Class findClass(String name) { 
        byte[] b = loadClassData(name); 
        return defineClass(name, b, 0, b.length); 
    } 
 
    /** 
     * 讀取 .class 文件為字節(jié)數(shù)組 
     * 
     * @param name 全路徑類名 
     * @return 
     */ 
    private byte[] loadClassData(String name) { 
        try { 
            String filePath = fullClassName2FilePath(name); 
            InputStream is = new FileInputStream(new File(filePath)); 
            ByteArrayOutputStream bos = new ByteArrayOutputStream(); 
            byte[] buf = new byte[2048]; 
            int r; 
            while ((r = is.read(buf)) != -1) { 
                bos.write(buf, 0, r); 
            } 
            return bos.toByteArray(); 
        } catch (Throwable e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
        return null; 
    } 
 
    /** 
     * 全限定名轉(zhuǎn)換為文件路徑 
     * 
     * @param name 
     * @return 
     */ 
    private String fullClassName2FilePath(String name) { 
        return rxRootPath + name.replace(".", "//") + ".class"; 
    } 
 
    public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException { 
        ClassLoaderTest classLoader = new ClassLoaderTest(); 
        String className = "com.test.TestAA"; 
 
        Class clazz = classLoader.loadClass(className); 
        System.out.println(clazz.getClassLoader()); 
        // 輸出結(jié)果  
        //cn.xxx.xxx.loader.ClassLoaderTest@3764951d 
    } 
}

Tomcat 類加載器

Tomcat 中的類加載器模型

Tomcat 類加載器說明

tomcat 的幾個主要類加載器：

commonLoader：Tomcat 最基本的類加載器，加載路徑中的 class 可以被 Tomcat 容器本身以及各個 WebApp 訪問。
catalinaLoader：Tomcat 容器私有的類加載器加載路徑中的 class 對于 Webapp 不可見;
sharaLoader: 各個Webapp 共享的類加載器，加載路徑中的 class 對于所有 webapp 可見，但是對于 Tomcat 容器不可見。
webappLoader: 各個 Webapp 私有的類加載，加載路徑中的 class 只對當前 webapp 可見，比如加載 war 包里面相關的類，每個 war 包應用都有自己的 webappClassLoader 對象，對應不同的命名空間，實現(xiàn)相互隔離，比如 war 包中可以引入不同的 spring 版本，實現(xiàn)多個 spring 版本應用的同時運行。

總結(jié)：

從圖中的委派關系中可以看出：

Commonclassloader 能加載的類都可以被 Catalinaclassloader和 Sharedclassloadert 使用, 從而實現(xiàn)了公有類庫的共用,而Catalinaclassloader 和 Sharedclassloader自己能加載的類則與對方相互隔離 Webappclassloader 可以使用 Shared Loader 加載到的類,但各個 Webappclassloader 實例之間相互隔離而 Jasper Loader 的加載范圍僅僅是這個 JSP 文件所編譯出來的那一個 . class 文件,它出現(xiàn)的目的就是為了被丟棄: 當 Web 容器檢測到 JSP 文件被修改時,會替換掉目前的 Jasperloader 的實例,并通過再建立一個新的 Jsp 類加載器來實現(xiàn) JSP 文件的熱加載功能。

Tomcat這種類加載機制違背了java推薦的雙親委派模型了嗎? 答案是: 違背了

tomcat不是這樣實現(xiàn), tomcat為了實現(xiàn)隔離性, 沒有遵守這個約定, 每個 webapp Loader加載自己的目錄下的 class'文件,不會傳遞給父類加載器,打破了雙親委派機制

參考資料

《深入理解 Java 虛擬機》第三版周志明

Apache Tomcat Documentation

責任編輯：姜華來源：運維開發(fā)故事

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一篇帶給你JVM 類加載過程解析

類加載過程

類加載的時機

類被主動加載的 7 種情況

其它加載情況

測試例子 1：

測試例子 2：

類加載流程

加載

驗證

準備

解析

初始化

類加載器

雙親委派機制

總結(jié)：

設計雙親委派機制的目的?

自定義類加載器

Tomcat 類加載器

Tomcat 中的類加載器模型

Tomcat 類加載器說明

總結(jié)：

參考資料