Java虚拟机（四）-类加载机制

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概述

Class文件由类装载器装载后，在JVM中将形成一份描述Class结构的元信息对象，通过该元信息对象可以获知Class的结构信息：如构造函数，属性和方法等，Java允许用户借由这个Class相关的元信息对象间接调用Class对象的功能。
虚拟机把描述类的数据从class文件加载到内存，并对数据进行校验，转换解析和初始化，最终形成可以被虚拟机直接使用的Java类型，这就是虚拟机的类加载机制。

什么是类的加载

类的加载指的是将类的.class文件中的二进制数据读入到内存中，将其放在运行时数据区的方法区内，然后在堆区创建一个java.lang.Class对象，用来封装类在方法区内的数据结构。类的加载的最终产品是位于堆区中的Class对象，Class对象封装了类在方法区内的数据结构，并且向Java程序员提供了访问方法区内的数据结构的接口。

类加载器并不需要等到某个类被“首次主动使用”时再加载它，JVM规范允许类加载器在预料某个类将要被使用时就预先加载它，如果在预先加载的过程中遇到了.class文件缺失或存在错误，类加载器必须在程序首次主动使用该类时才报告错误（LinkageError错误）如果这个类一直没有被程序主动使用，那么类加载器就不会报告错误。

类加载过程

JVM 类加载机制分为五个部分：加载，验证，准备，解析，初始化，下面我们就分别来看一下这五个过程。

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加载

加载是类加载过程中的一个阶段，这个阶段会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入口。注意这里不一定非得要从一个 Class 文件获取，这里既 可以从 ZIP 包中读取（比如从 jar 包和 war 包中读取），也可以在运行时计算生成（动态代理）， 也可以由其它文件生成（比如将 JSP 文件转换成对应的 Class 类）。

验证

确保被加载的类的正确性
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。验证阶段大致会完成4个阶段的检验动作：
文件格式验证：验证字节流是否符合Class文件格式的规范；例如：是否以0xCAFEBABE开头、主次版本号是否在当前虚拟机的处理范围之内、常量池中的常量是否有不被支持的类型。
元数据验证：对字节码描述的信息进行语义分析（注意：对比javac编译阶段的语义分析），以保证其描述的信息符合Java语言规范的要求；例如：这个类是否有父类，除了java.lang.Object之外。
字节码验证：通过数据流和控制流分析，确定程序语义是合法的、符合逻辑的。
符号引用验证：确保解析动作能正确执行。
验证阶段是非常重要的，但不是必须的，它对程序运行期没有影响，如果所引用的类经过反复验证，那么可以考虑采用-Xverifynone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。

准备

准备阶段是正式为类变量分配内存并设置类变量的初始值阶段
这些内存都将在方法区中分配。对于该阶段有以下几点需要注意： 1、这时候进行内存分配的仅包括类变量（static），而不包括实例变量，实例变量会在对象实例化时随着对象一块分配在Java堆中。
2、这里所设置的初始值通常情况下是数据类型默认的零值（如0、0L、null、false等），而不是被在Java代码中被显式地赋予的值。
比如一个类变量定义为：

public static int v = 8080;

实际上变量v在准备阶段过后的初始值为0而不是8080，将v赋值为8080 的 put static 指令是程序被编译后，存放于类构造器方法之中。但是注意如果声明为：

public static final int v = 8080;

在编译阶段会为v生成 ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机会根据 ConstantValue属性将v赋值为8080。

解析

解析阶段是指虚拟机将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是 class 文件中的：

  • CONSTANT_Class_info
  • CONSTANT_Field_info
  • CONSTANT_Method_info 等类型的常量
    解析阶段是虚拟机将常量池内的符号引用替换为直接引用的过程，解析动作主要针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用限定符7类符号引用进行。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量。
    直接引用就是直接指向目标的指针、相对偏移量或一个间接定位到目标的句柄。

初始化

对类的静态变量，静态代码块执行初始化操作
初始化，为类的静态变量赋予正确的初始值，JVM负责对类进行初始化，主要对类变量进行初始化。在Java中对类变量进行初始值设定有两种方式：

  • 声明类变量是指定初始值。
  • 使用静态代码块为类变量指定初始值。

类加载器

JVM的类加载是通过ClassLoader及其子类来完成的，类的层次关系和加载顺序可以由下图来描述：

image.png

  • 启动类加载器(Bootstrap ClassLoader)
    负责加载 JAVA_HOME\lib 目录中的，或通过-Xbootclasspath 参数指定路径中的，且被虚拟机认可（按文件名识别，如 rt.jar）的类。
  • 扩展类加载器(Extension ClassLoader)
    负责加载 JAVA_HOME\lib\ext 目录中的，或通过 java.ext.dirs 系统变量指定路径中的类库。
  • 应用程序类加载器(Application ClassLoader)：
    负责加载用户路径（classpath）上的类库。
  • 自定义加载器(Custom ClassLoader)：
    通过继承 java.lang.ClassLoader实现自定义的类加载器，如tomcat、jboss都会根据j2ee规范自行实现ClassLoader。 加载过程中会先检查类是否被已加载，检查顺序是自底向上，从Custom ClassLoader到BootStrap ClassLoader逐层检查，只要某个classloader已加载，就视为已加载此类，保证此类只所有ClassLoader加载一次。而加载的顺序是自顶向下，也就是由上层来逐层尝试加载此类。

双亲委派模型

当一个类收到了类加载请求，他首先不会尝试自己去加载这个类，而是把这个请求委派给父 类去完成，每一个层次类加载器都是如此，因此所有的加载请求都应该传送到启动类加载其中， 只有当父类加载器反馈自己无法完成这个请求的时候（在它的加载路径下没有找到所需加载的 Class），子类加载器才会尝试自己去加载。

好处

双亲委派模型保证了Java程序的稳定运行，可以避免类的重复加载（JVM 区分不同类的方式不仅仅根据类名，相同的类文件被不同的类加载器加载产生的是两个不同的类），也保证了Java的核心API不被篡改。如果没有使用双亲委派模型，而是每个类加载器加载自己的话就会出现一些问题，比如我们编写一个称为 java.lang.Object 类的话，那么程序运行的时候，系统就会出现多个不同的 Object 类。

如何打破双亲委派模型

  • 自定义类加载器重写loadClass()方法
  • 使用线程上下文类加载器

破坏双亲委派例子

Tomcat的类加载

我们知道，Tomcat是web容器，一个web容器可能需要部署多个应用程序。不同的应用程序可能会依赖同一个第三方类库的不同版本，但是不同版本的类库中某一个类的全限定名可能是一样的。

如多个应用都要依赖hollis.jar，但是A应用需要依赖1.0.0版本，但是B应用需要依赖1.0.1版本。这两个版本中都有一个类是com.hollis.Test.class。如果采用默认的双亲委派类加载机制，是无法加载多个相同的类。所以，Tomcat破坏双亲委派原则，提供隔离的机制，为每个web容器单独提供一个WebAppClassLoader加载器。

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Tomcat的类加载机制：为了实现隔离性，优先加载 Web 应用自己定义的类，所以没有遵照双亲委派的约定，每一个应用自己的类加载器——WebAppClassLoader负责加载本身的目录下的class文件，加载不到时再交给CommonClassLoader加载，这和双亲委派刚好相反。

JDBC的类加载

典型的JDBC服务，我们通常通过以下方式创建数据库连接：

Connection conn = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost:3306/mysql", "root", "root");

在以上代码执行之前，DriverManager会先被类加载器加载，因为java.sql.DriverManager类是位于rt.jar下面的 ，所以他会被BootstrapClassLoader加载。

image.png

oadInitialDrivers被静态代码块调用，而静态代码块是在类加载过程中就要执行。

Driver接口的实现类是位于服务商提供的Jar包，根据类加载机制，当被装载的类引用了另外一个类的时候，虚拟机就会使用装载第一个类的ClassLoader装载被引用的类。也就是说BootstrapClassLoader还要去加载jar包中的Driver接口的实现类。

我们知道，BootstrapClassLoader默认只负责加载JAVA_HOME中jre/lib/rt.jar里所有的class，在JDBC中通过引入ThreadContextClassLoader（线程上下文加载器，默认情况下是AppClassLoader）的方式进行实现类的加载：

image.png

这样一来，在父加载器（BootstrapClassLoader）中调用子加载器（默认是AppClassLoader）进行加载，破坏了双亲委派模型。

与JDBC的类加载过程类似，通过SPI扩展点加载的类基本也都需要打破双亲委派模型。

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