JVM 6：类加载与类加载器

作者：Java-fenn

2022 年 9 月 25 日
湖南
本文字数：5679 字
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1.一个类的生命周期

1.1 类生命周期 7 个阶段

类从被加载到虚拟机内存中开始，到卸载出内存为止，它的整个生命周期包括：加载（Loading）、验证（Verification）、准备（Preparation）、解析（Resolution）、初始化（Initialization）、使用（Using）和卸载（Unloading）7 个阶段。其中验证、准备、解析 3 个部分统称为连接（Linking）

1.2 阶段顺序

加载、校验、准备、初始化和卸载这五个阶段的顺序是确定的，但是对于“解析”阶段则不一定，它在某些情况下可以在初始化之后再开始，这样做是为了支持 java 的运行时绑定特征（也称为动态绑定或晚期绑定）。

1.3 加载的时机

什么是需要开始类第一个阶段“加载”，虚拟机规范没有强制约束，这点交给虚拟机的具体实现来自由把控。
“加载 loading”阶段是整个类加载（class loading）过程的一个阶段。加载阶段虚拟机需要完成以下 3 件事情： 1）通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流。 2）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数据结构。 3）在内存中生成一个代表这个类的 java.lang.Class 对象，作为方法区这个类的各种数据的访问入口。

注意：比如“通过一个类的全限定名来获取定义此类的二进制字节流”没有指定一定得从某个 class 文件中获取，所以我们可以从 zip 压缩包、从网络中获取、运行时计算生成、数据库中读取、或者从加密文件中获取等等。

1.4 验证

是连接阶段的第一步，这一阶段的目的是为了确保 Class 文件的字节流中包含的信息符合当前虚拟机的要求，并且不会危害虚拟机自身的安全。但从整体上看，验证阶段大致上会完成下面 4 个阶段的检验动作：文件格式验证、元数据验证、字节码验证、符号引用验证。

1）文件格式验证这阶段的验证是基于二进制字节流进行的，只有通过了这个阶段的验证之后，这段字节流才被允许进人 Java 虚拟机内存的方法区中进行存储，所以后面的三个验证阶段全部是基于方法区的存储结构（内存）上进行的，不会再直接读取、操作字节流了。 2）元数据验证元数据验证是验证的第二阶段，主要目的是对类的元数据信息进行语义校验，保证不存在与《Java 语言规范》定义相悖的元数据信息。 3）字节码验证字节码验证第三阶段是整个验证过程中最复杂的一一个阶段，主要目的是通过数据流分析和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。在第二阶段对元数据信息中的数据类型校验完毕以后，这阶段就要对类的方法体(Class 文件中的 Code 属性)进行校验分析，保证被校验类的方法在运行时不会做出危害虚拟机安全的行为 4）符号引用验证最后一个阶段的校验行为发生在虚拟机将符号引用转化为直接引用的时候，这个转化动作将在连接的第三阶段一解析阶段中发生。符号引用验证可以看作是对类自身以外(常量池中的各种符号引用)的各类信息进行匹配性校验，通俗来说就是，该类是否缺少或者被禁止访问它依赖的某些外部类、方法、字段等资源。符号引用验证的主要目的是确保解析行为能正常执行，如果无法通过符号引用验证，将会抛出异常。 总结： 验证阶段对于虚拟机的类加载机制来说，是一个非常重要的、但却不是必须要执行的阶段，因为验证阶段只有通过或者不通过的差别，只要通过了验证，其后就对程序运行期没有任何影响了。如果程序运行的全部代码(包括自己编写的、第三方包中的、从外部加载的、动态生成的等所有代码)都已经被反复使用和验证过，在生产环境的实施阶段就可以考虑使用-Xverify:none 参数来关闭大部分的类验证措施，以缩短虚拟机类加载的时间。 docs.oracle.com/javase/8/do…

1.5 准备

准备阶段是正式为类中定义的变量（被 static 修饰的变量）分配内存并设置类变量初始值的阶段，这些变量所使用的内存都将在方法区中进行分配。这个阶段中有两个容易产生混淆的概念需要强调一下：
首先，这时候进行内存分配的仅包括类变量（被 static 修饰的变量），而不包括实例变量，实例变量将会在对象实例化时随着对象一起分配在 Java 堆中。
其次，这里所说的初始值“通常情况”下是数据类型的零值，假设一个类变量的定义为： public static int value=123；那变量 value 在准备阶段过后的初始值为 0 而不是 123，因为这时候尚未开始执行任何 Java 方法，而把 value 赋值为 123 是后续的初始化环节。
基本数据类型的零值表

1.6 解析

解析阶段是 JVM 将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程。
符号引用是一种定义，可以是任何字面上的含义，而直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量。

1.7 初始化

初始化主要是对一个 class 中的 static{}语句进行操作（对应字节码就是 clinit 方法）。
＜clinit＞（）方法对于类或接口来说并不是必需的，如果一个类中没有静态语句块，也没有对变量的赋值操作，那么编译器可以不为这个类生成＜clinit ＞（）方法。
初始化阶段，虚拟机规范则是严格规定了有且只有 6 种情况必须立即对类进行“初始化”（而加载、验证、准备自然需要在此之前开始）：

1）遇到 new、getstatic、putstatic 或 invokestatic 这 4 条字节码指令时，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。生成这 4 条指令的最常见的 Java 代码场景是：

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
调用一个类的静态方法的时候。

2）使用 java.lang.reflect 包的方法对类进行反射调用的时候，如果类没有进行过初始化，则需要先触发其初始化。 3）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。 4）当虚拟机启动时，用户需要指定一个要执行的主类（包含 main（）方法的那个类），虚拟机会先初始化这个主类。 5）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 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。 6）当一个接口中定义了 JDK1.8 新加入的默认方法（被 default 关键字修饰的接口方法）时，如果这个接口的实现类发生了初始化，那该接口要在其之前被初始化。

Class 文件查看工具 javap javap 是 JDK 自带的反解析工具。它的作用是将 .class 字节码文件解析成可读的文件格式。在使用 javap 时添加 -v 参数，尽量多打印一些信息。同时，使用 -p 参数，打印一些私有的字段和方法。 jclasslib jclasslib 是一个图形化的工具，能够更加直观的查看字节码中的内容。它还分门别类的对类中的各个部分进行了整理，非常的人性化。同时，它还提供了 Idea 的插件，可以从 plugins 中搜索到它。 jclasslib 的下载地址： github.com/ingokegel/j…

1.7.1 案例分析

案例代码

案例 1 ——代码

——演示结果

——结果解析如果通过子类引用父类中的静态字段，只会触发父类的初始化，而不会触发子类的初始化(但是子类会被加载)

案例 2 ——代码

——演示结果

——结果解析使用数组的方式，不会触发初始化(触发父类加载，不会触发子类加载)

案例 3 ——代码

——演示结果

——结果解析打印一个常量，不会触发初始化（同样不会触发类加载）

为什么不会触发类加载，因为在编译的时候，常量数据已经进入自己类的常量池

案例 4 ——代码

——演示结果

——结果解析如果使用常量去引用另外一个常量(这个值编译时无法确定，所以必须要触发初始化)

1.7.2 线程安全

虚拟机会保证一个类的＜clinit＞（）方法在多线程环境中被正确地加锁、同步，如果多个线程同时去初始化一个类，那么只会有一个线程去执行这个类的＜clinit＞（）方法，其他线程都需要阻塞等待，直到活动线程执行＜clinit＞（）方法完毕。如果在一个类的＜clinit＞（）方法中有耗时很长的操作，就可能造成多个进程阻塞。所以类的初始化是线程安全的，项目中可以利用这点

2 类加载器

整个类加载过程任务非常繁重，类加载器做的就是上面 5 个步骤的事（加载、验证、准备、解析、初始化）。

2.1JDK 提供的三层类加载器

Bootstrap ClassLoader（启动类加载器）这是加载器中的扛把子，任何类的加载行为，都要经它过问。它的作用是加载核心类库，也就是 rt.jar、resources.jar、charsets.jar 等。当然这些 jar 包的路径是可以指定的，-Xbootclasspath 参数可以完成指定操作。这个加载器是 C++ 编写的，随着 JVM 启动。
Extention ClassLoader（拓展类加载器）扩展类加载器，主要用于加载 lib/ext 目录下的 jar 包和 .class 文件。同样的，通过系统变量 java.ext.dirs 可以指定这个目录。这个加载器是个 Java 类，继承自 URLClassLoader。
Application ClassLoader（应用程序类加载器）这是我们写的 Java 类的默认加载器，有时候也叫作 System ClassLoader。一般用来加载 classpath 下的其他所有 jar 包和 .class 文件，我们写的代码，会首先尝试使用这个类加载器进行加载。

2.2 自定义类加载器

Custom ClassLoader 自定义加载器，支持一些个性化的扩展功能。

2.3 类加载器的问题

如果你在项目代码里，写一个 java.lang 的包，然后改写 String 类的一些行为，编译后，发现并不能生效。JRE 的类当然也不能轻易被覆盖。
对于任意一个类，都需要由加载它的类加载器和这个类本身一同确立其在 Java 虚拟机中的唯一性，每一个类加载器，都拥有一个独立的类名称空间。这句话可以表达得更通俗一些：比较两个类是否“相等”，只有在这两个类是由同一个类加载器加载的前提下才有意义，否则，即使这两个类来源于同一个 Class 文件，被同一个虚拟机加载，只要加载它们的类加载器不同，那这两个类就必定不相等。
这里所指的“相等”，包括代表类的 Class 对象的 equals（）方法、isAssignableFrom（）方法、isInstance（）方法的返回结果，也包括使用 instanceof 关键字做对象所属关系判定等情况。

2.4 双亲委派机制

双亲委派模型：如果一个类加载器收到了类加载的请求，它首先不会自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父类加载器去完成，每一层的类加载器都是如此，这样所有的加载请求都会被传送到顶层的启动类加载器中，只有当父加载无法完成加载请求（它的搜索范围中没找到所需的类）时，子加载器才会尝试去加载。
双亲委派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当有自己的父类加载器。这里类加载器之间的父子关系一般不会以继承（Inheritance）的关系来实现，而是都使用组合（Composition）关系来复用父加载器的代码。
使用双亲委派模型来组织类加载器之间的关系，有一个显而易见的好处就是 Java 类随着它的类加载器一起具备了一种带有优先级的层次关系。例如类 java.lang.Object，它存放在 rt.jar 之中，无论哪一个类加载器要加载这个类，最终都是委派给处于模型最顶端的启动类加载器进行加载，因此 Object 类在程序的各种类加载器环境中都是同一个类。相反，如果没有使用双亲委派模型，由各个类加载器自行去加载的话，如果用户自己编写了一个称为 java.lang.Object 的类，并放在程序的 ClassPath 中，那系统中将会出现多个不同的 Object 类，Java 类型体系中最基础的行为也就无法保证，应用程序也将会变得一片混乱。

翻阅 JDK 代码的 ClassLoader#loadClass 方法，来看一下具体的加载过程。首先使用 parent 尝试进行类加载，parent 失败后才轮到自己。同时，我们也注意到，这个方法是可以被覆盖的，也就是双亲委派机制并不一定生效。

3.自定义类加载器

3.1Tomcat 类加载机制

tomcat 通过 war 包进行应用的发布，它其实是违反了双亲委派机制原则的。简单看一下 tomcat 类加载器的层次结构。

对于一些需要加载的非基础类，会由一个叫作 WebAppClassLoader 的类加载器优先加载。等它加载不到的时候，再交给上层的 ClassLoader 进行加载。
这个加载器用来隔绝不同应用的 .class 文件，比如你的两个应用，可能会依赖同一个第三方的不同版本，它们是相互没有影响的。
如何在同一个 JVM 里，运行着不兼容的两个版本，当然是需要自定义加载器才能完成的事。
那么 tomcat 是怎么打破双亲委派机制的呢？可以看图中的 WebAppClassLoader，它加载自己目录下的 .class 文件，并不会传递给父类的加载器。

但是，它却可以使用 SharedClassLoader 所加载的类，实现了共享和分离的功能。

3.2SPI

Java 中有一个 SPI 机制，全称是 Service Provider Interface，是 Java 提供的一套用来被第三方实现或者扩展的 API，它可以用来启用框架扩展和替换组件。
这个说法可能比较晦涩，但是拿我们常用的数据库驱动加载来说，就比较好理解了。在使用 JDBC 写程序之前，通常会调用下面这行代码，用于加载所需要的驱动类。
Class.forName("com.mysql.jdbc.Driver")
这只是一种初始化模式，通过 static 代码块显式地声明了驱动对象，然后把这些信息，保存到底层的一个 List 中。明显是一个接口编程的思路。
但是，即使删除了 Class.forName 这一行代码，也能加载到正确的驱动类。
MySQL 的驱动代码，就是在这里实现的。
路径：mysql-connector-java-8.0.11.jar!/META-INF/services/java.sql.Driver 里面的内容是：com.mysql.cj.jdbc.Driver