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类加载过程是怎样的

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一觉睡到小时候
发布2019-07-03 17:59:14
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发布2019-07-03 17:59:14
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一般来说,我们把Java的类加载过程分为三个主要步骤:加载、链接、初始化
加载阶段(Loading)

它是Java将字节码数据从不同的数据源读取到JVM中,并映射为JVM认可的数据结构(Class对象)。这里的数据源可能是各种各样的形态,如jar文件、class文件,甚至是网络数据源等。如果输入数据不是ClassFile的结构,则会抛出ClassFormatError。 加载阶段是用户参与的阶段,我们可以自定义类加载器,去实现自己的类加载过程。

链接阶段(Linking)

这是核心的步骤,简单说是把原始的类定义信息平滑地转化入JVM运行的过程中。这里可进一步细分为三个步骤:

  • 验证(Verification),这是虚拟机安全的重要保障,JVM需要核检字节信息是符合Java虚拟机规范的,否则就被认为是VerifyError。这样就防止了恶意信息或者不合规的信息危害JVM的运行。验证阶段有可能触发更多class的加载。
  • 准备(Preparation),创建类或接口中的静态变量,并初始化静态变量的初始值。但这里的“初始化”和下面的显式初始化阶段是有区别的,侧重点在于分配所需要的内存空间,不会去执行更进一步的JVM指令。
  • 解析(Resolution),在这一步会将常量池中的符号引用(symbolic reference)替换为直接引用。在Java虚拟机规范中,详细介绍了类、接口、方法和字段等各个方面的解析。
初始化(Initialization)

这一步真正去执行类初始化的代码逻辑,包括静态字段复制的动作,以及执行类定义中的静态初始化块内的逻辑。编译器在编译阶段就会把这部分逻辑整理好,父类型的初始化逻辑优先于当前类型的逻辑。

Java 8之前的类加载器

启动类加载器(Bootstrap Class-Loader),加载jre/lib下面的jar文件,如rt.jar。它是个超级公民,即使是在开启了Security Manager的时候,JDK仍赋予了它加载的程序AllPermission。

对于做底层开发的工程师,有的时候可能不得不去试图修改JDK的基础代码,也就是通常意义上的核心类库,我们可以使用下面的命令行参数。

代码语言:javascript
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# 指定新的 bootclasspath,替换 java.* 包的内部实现
java -Xbootclasspath:<your_boot_classpath> your_App

# a 意味着 append,将指定目录添加到 bootclasspath 后面
java -Xbootclasspath/a:<your_dir> your_App

# p 意味着 prepend,将指定目录添加到 bootclasspath 前面
java -Xbootclasspath/p:<your_dir> your_App

用法其实很易懂,例如,使用最常见的“/p”,既然是前置,就有机会替换个别基础类的实现。

我们一般可以使用下面方法获取父加载器,但是在通常的JDK/JRE实现中,扩展类加载器getParent()都只能返回null。

代码语言:javascript
复制
public final ClassLoader getParent()

扩展类加载器(Extension or Ext Class-Loader),负责加载我们放到jre/lib/ext目录下面的jar包,这就是所谓的extension机制。该目录也可以通过设置“java.ext.dirs”来覆盖

代码语言:javascript
复制
java -Djava.ext.dirs=your_ext_dir HelloWorld

应用类加载器(Application or App Class-Loader),就是加载我们最熟悉的classpath的内容。这里有一个容易混淆的概念,系统(System)类加载器,通常来说,其默认就是JDK內建的应用类加载器,但是它同样是可能修改的,比如:

代码语言:javascript
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java -Djava.system.class.loader=com.yourcorp.YourClassLoader HelloWorld

如果我们指定了这个参数,JDK內建的应用类加载器就会成为定制加载器的父亲,这种方式通常用在类似需要改变双亲委派模式的场景。

具体参考下图:

双亲委派模型

谈到类加载一个躲不开的话题就是“双亲委派模型”,简单说就是当类加载器(Class-Loader)试图加载某个类型的时候,除非父加载器找不到相应的类型,否则尽量将这个任务代理给当前加载器的父加载器去做。

参考上面这个结构图就很容易理解了。试想,如果不同类加载器都自己加载需要的某个类型,那么就会出现多次重复加载,完全是种浪费。

通常类加载器机制有三个基本特征:

  • 双亲委派模型。但不是所有类加载都遵守这个模型,有的时候,启动类加载器所加载的类型,是可能要加载用户代码的。比如JDK内部的ServiceProvider/ServiceLoader机制,用户可以在标准API框架上,提供自己的实现,JDK也需要提供些默认的参考实现。例如,Java中JNDI、JDBC、文件系统、Cipher等很多方面,都是利用的这种机制,这种情况就不会用双亲委派模型去加载,而是利用所谓的上下文加载器。
  • 可见性。子加载器可以访问父加载器加载的类型,但是反过来是不允许的。不然,因为缺少必要的隔离,我们就没有办法利用类加载器去实现容器的逻辑。
  • 单一性。由于父加载器的类型对于子加载器是可见的,所以父加载器中加载过的类型,就不会在子加载器中重复加载。但是注意,类加载器“邻居”间,同一类型仍然可以被加载多次,因为互相不可见。
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原始发表:2019-03-22,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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  • 一般来说,我们把Java的类加载过程分为三个主要步骤:加载、链接、初始化
  • 加载阶段(Loading)
  • 链接阶段(Linking)
  • 初始化(Initialization)
  • Java 8之前的类加载器
  • 双亲委派模型
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