类加载机制详解

Posted on 2020-11-29 In JVM Views: Disqus: Reading time ≈ 11 mins.

类是在 ** 运行期间第一次使用 ** 时动态加载的，而不是编译时期一次性加载。因为如果在编译时期一次性加载，那么会占用很多的内存

1. 类的生命周期

包括以下 7 个阶段：

加载（Loading）
验证（Verification）
准备（Preparation）
解析（Resolution）
初始化（Initialization）
使用（Using）
卸载（Unloading）

2. 类加载过程

包含了加载、验证、准备、解析和初始化这 5 个阶段

2.1. 加载

加载过程完成以下三件事：

获取二进制字节流： 通过一个类的全限定名来获取定义此类的 二进制字节流
1. 从 ZIP 包读取，成为 JAR、EAR、WAR 格式的基础
2. 由其他文件生成，例如由 JSP 文件生成对应的 Class 类
3. 运行时计算生成，例如动态代理技术，在 java.lang.reflect.Proxy 使用 ProxyGenerator.generateProxyClass 的代理类的二进制字节流
4. 从网络中获取，最典型的应用是 Applet
存储结构转化： 将这个字节流所代表的 ** 静态存储结构 ** 转化为方法区的 运行时存储结构
生成 Class 对象： 在内存中生成一个代表这个类的 Class 对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口

2.2. 验证

概述： 确保 Class 文件的字节流中包含的信息 符合当前虚拟机的要求（如 cafe babe），并且不会危害虚拟机自身的安全

2.3. 准备

概述： 准备阶段为 ** 静态变量 ** 分配内存并 设置初始值，使用的是 ** 方法区 ** 的内存

实例变量不会在这阶段分配内存，它将会在对象实例化时随着对象一起分配在堆中
初始值一般为 0 值，例如下面的静态变量 value 被初始化为 0 而不是 123

public static int value = 123;
如果静态变量是常量，那么会按照表达式来进行初始化，而不是赋值为 0

public static final int value = 123;

2.4. 解析

概述：
将常量池的符号引用替换为直接引用的过程
其中解析过程在某些情况下可以在初始化阶段之后再开始，这是为了支持 Java 的动态绑定
符号引用： 符号引用与虚拟机实现的布局无关，引用的目标并不一定要已经加载到内存中。各种虚拟机实现的内存布局可以各不相同，但是它们能接受的符号引用必须是一致的，因为符号引用的字面量形式明确定义在 Java 虚拟机规范的 Class 文件格式中
直接引用： 直接引用可以是指向目标的指针，相对偏移量或是一个能间接定位到目标的句柄。如果有了直接引用，那引用的目标必定已经在内存中存在

2.5. 初始化

概述：
初始化阶段即虚拟机执行 类构造器 () 方法的过程
初始化阶段才真正开始执行类中定义的 Java 程序代码
特点：

静态初始化： 编译器自动收集类中所有静态变量的赋值动作和静态语句块中的语句，由 class 类构造器对 ** 静态变量、静态代码块 ** 进行 ** 初始化 **。编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。

如果一个类中不包含静态语句块，也没有对静态变量有赋值操作，编译器可以不为该类生成 () 方法。

静态语句块只能访问到定义在它之前的类变量，定义在它之后的类变量只能赋值，不能访问。例如以下代码：

public class Test {
    static {
        	i = 0;                // 给变量赋值可以正常编译通过
        	System.out.print(i);  // 这句编译器会提示“非法向前引用”
	    }
	    static int i = 1;
	}

先父后子： 与类的构造函数（或者说实例构造器 ()）不同，() 不需要显式的调用父类的构造器。虚拟机会自动保证在子类的 () 方法运行之前，父类的 () 方法已经执行结束。因此虚拟机中第一个执行 () 方法的类肯定为 java.lang.Object。这也意味着父类中定义的 静态语句块的执行要优先于子类
接口： 执行接口的 () 方法不需要先执行父接口的 () 方法。只有当父接口中定义的变量使用时，父接口才会初始化。另外，接口的实现类在初始化时也一样不会执行接口的 () 方法
加锁等待： 如果多个线程同时初始化一个类，只会有 ** 一个线程执行 ** 这个类的 () 方法，其它线程都会阻塞等待，直到活动线程执行 () 方法完毕。如果在一个类的 () 方法中有耗时的操作，就可能造成多个线程阻塞，在实际过程中此种阻塞很隐蔽

3. 类初始化时机

3.1. 主动引用

虚拟机规范中并没有强制约束何时进行加载，但是规范严格规定了有且只有下列五种情况必须对类进行初始化（加载、验证、准备都会随之发生）：

当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的 入口类（包含 main () 方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类
遇到 new、getstatic、putstatic、invokestatic 这四条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则必须先触发其初始化。最常见的生成这 4 条指令的场景是：
- 使用 new 关键字实例化对象的时候
- 读取或设置一个类的静态字段（被 final 修饰、已在编译期把结果放入常量池的静态字段除外）的时候
- 以及调用一个类的静态方法的时候
当初始化一个类的时候，如果发现其父类还没有进行过初始化，则需要 ** 先触发其父类 ** 的初始化
使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行 ** 反射调用 ** 的时候，如果类没有进行初始化，则需要先触发其初始化
当使用 JDK 1.7 的 ** 动态语言 ** 支持时，如果一个 java.lang.invoke.MethodHandle 实例最后的解析结果为 REF_getStatic, REF_putStatic, REF_invokeStatic 的方法句柄，并且这个方法句柄所对应的类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化

3.2. 被动引用

以上 5 种场景中的行为称为对一个类进行主动引用
除此之外，所有引用类的方式都不会触发初始化，称为被动引用。被动引用的常见例子包括：

通过子类 引用父类的静态字段，不会导致子类初始化

1 2	// value 字段在 SuperClass 中定义 System.out.println(SubClass.value);

通过 数组定义来引用类，不会触发此类的初始化。该过程会对数组类进行初始化，数组类是一个由虚拟机自动生成的、直接继承自 Object 的子类，其中包含了数组的属性和方法
1
SuperClass[] sca = new SuperClass[10];
** 常量 ** 在编译阶段会存入调用类的常量池中，本质上并没有直接引用到定义常量的类，因此不会触发定义常量的类的初始化
1
System.out.println(ConstClass.HELLOWORLD);

4. 类与类加载器

两个类相等需要类本身相等，并且使用同一个类加载器进行加载。这是因为每一个类加载器都拥有一个独立的类名称空间
这里的相等，包括类的 Class 对象的 equals () 方法、isAssignableFrom () 方法、isInstance () 方法的返回结果为 true，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定结果为 true

4.1. 类加载器分类

从 Java 虚拟机的角度来讲，只存在以下两种不同的类加载器：

** 启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）： ** 这个类加载器用 C++ 实现，是虚拟机自身的一部分
所有其他类的加载器： 这些类由 Java 实现，独立于虚拟机外部，并且全都继承自抽象类 java.lang.ClassLoader

从 Java 开发人员的角度看，类加载器可以划分得更细致一些：

启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）：
- 此类加载器负责将存放在 \lib 目录中的，或者被 -Xbootclasspath 参数所指定的路径中的，并且是虚拟机识别的（仅按照文件名识别，如 rt.jar，名字不符合的类库即使放在 lib 目录中也不会被加载）类库加载到虚拟机内存中
- 启动类加载器无法被 Java 程序直接引用，用户在编写自定义类加载器时，如果需要把加载请求委派给启动类加载器，直接使用 null 代替即可
扩展类加载器（Extension ClassLoader）：
- 这个类加载器是由 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将 /lib/ext 或者被 java.ext.dir 系统变量所指定路径中的所有类库加载到内存中，开发者可以直接使用扩展类加载器
应用程序类加载器（Application ClassLoader）：
- 这个类加载器是由 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。由于这个类加载器是 ClassLoader 中的 getSystemClassLoader () 方法的返回值，因此一般称为系统类加载器
- 它负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库，开发者可以直接使用这个类加载器，如果应用程序中没有自定义过自己的类加载器，一般情况下这个就是程序中默认的类加载器

4.2. 双亲委派模型

应用程序都是由三种类加载器相互配合进行加载的，如果有必要，还可以加入自己定义的类加载器
下图展示的类加载器之间的层次关系，称为类加载器的双亲委派模型（Parents Delegation Model）
该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其余的类加载器都应有自己的父类加载器 。这里类加载器之间的父子关系一般通过组合（Composition）关系来实现，而不是通过继承（Inheritance）的关系实现

工作过程： 一个类加载器首先将类加载请求传送到父类加载器，只有当父类加载器无法完成类加载请求时才尝试加载
** 优点：** 使得 Java 类随着它的类加载器一起具有一种带有 优先级的层次关系，从而使得基础类得到统一

共享功能： 可以避免重复加载，当父亲已经加载了该类的时候，子类不需要再次加载，一些 Framework 层级的类一旦被顶层的 ClassLoader 加载过就缓存在内存里面，以后任何地方用到都不需要重新加载。
隔离功能： 主要是为了安全性，避免用户自己编写的类动态替换 Java 的一些核心类，比如 String ，同时也避免了重复加载，因为 JVM 中区分不同类，不仅仅是根据类名，相同的 class 文件被不同的 ClassLoader 加载就是不同的两个类，如果相互转型的话会抛 java.lang.ClassCaseException 。

例： java.lang.Object 存放在 rt.jar（使用启动类加载器）中，如果编写另外一个 java.lang.Object 的类（应用程序类加载器）并放到 ClassPath 中。
由于双亲委派模型的存在，所以在 rt.jar 中的 Object 比在 ClassPath 中的 Object 优先级更高，那么程序中所有的 Object 都是这个 Object。
实现：
以下是抽象类 java.lang.ClassLoader 的代码片段，其中的 loadClass () 方法运行过程如下：
先检查类是否已经加载过，如果没有则让父类加载器去加载。当父类加载器加载失败时抛出 ClassNotFoundException，此时尝试自己去加载。

public abstract class ClassLoader {
    // The parent class loader for delegation
    private final ClassLoader parent;

    public Class<?> loadClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        return loadClass(name, false);
    }

    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) {
                try {
                    if (parent != null) {
                        c = parent.loadClass(name, false);
                    } else {
                        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.
                    c = findClass(name);
                }
            }
            if (resolve) {
                resolveClass(c);
            }
            return c;
        }
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }
}

4.3. 自定义类加载器实现

FileSystemClassLoader 是自定义类加载器，继承自 java.lang.ClassLoader，用于加载文件系统上的类。
它首先根据类的全名在文件系统上查找类的字节代码文件（.class 文件），然后读取该文件内容，最后通过 defineClass () 方法来把这些字节代码转换成 java.lang.Class 类的实例。

java.lang.ClassLoader 的 loadClass () 实现了双亲委派模型的逻辑，因此自定义类加载器一般不去重写它，但是需要重写 findClass () 方法。

public class FileSystemClassLoader extends ClassLoader {

    private String rootDir;

    public FileSystemClassLoader(String rootDir) {
        this.rootDir = rootDir;
    }

    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        byte[] classData = getClassData(name);
        if (classData == null) {
            throw new ClassNotFoundException();
        } else {
            return defineClass(name, classData, 0, classData.length);
        }
    }

    private byte[] getClassData(String className) {
        String path = classNameToPath(className);
        try {
            InputStream ins = new FileInputStream(path);
            ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();
            int bufferSize = 4096;
            byte[] buffer = new byte[bufferSize];
            int bytesNumRead;
            while ((bytesNumRead = ins.read(buffer)) != -1) {
                baos.write(buffer, 0, bytesNumRead);
            }
            return baos.toByteArray();
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    private String classNameToPath(String className) {
        return rootDir + File.separatorChar
                + className.replace('.', File.separatorChar) + ".class";
    }
}

new 关键字创建对象的过程：