JVM类加载机制和双亲委派模型

用户3467126

发布于 2019-08-12 19:37:38

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什么是类加载机制？

虚拟机类加载机制：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。

类加载的时机

类的生命周期是从类被加载到虚拟机的内存中，到卸载出内存为止。

类的生命周期：

加载 loading 验证 verification 准备 preparation 解析 resolution 初始化 initialization 使用 using 卸载 unloading

Java语言里，类型的加载和连接过程（连接过程包括验证、准备、解析）是在程序运行期间完成的。

加载(装载)、验证、准备、初始化和卸载这五个阶段顺序是固定的，类的加载过程必须按照这种顺序开始。解析阶段不一定，它在某些情况下可以在初始化之后再开始，这是为了运行时动态绑定特性（JIT例如接口只在调用的时候才知道具体实现的是哪个子类）。值得注意的是：这些阶段通常都是互相交叉的混合式进行的，通常会在一个阶段执行的过程中调用或激活另外一个阶段。

类的加载过程

加载阶段

主要完成以下3件事情：1.通过“类全名”来获取定义此类的二进制字节流 2.将字节流所代表的静态存储结构转换为方法区的运行时数据结构 3.在java堆中生成一个代表这个类的java.lang.Class对象，作为方法区这些数据的访问入口

验证阶段

这个阶段目的在于确保Class文件的字节流中包含信息符合当前虚拟机要求，不会危害虚拟机自身安全。主要包括四种验证：1.文件格式验证：基于字节流验证，验证字节流是否符合Class文件格式的规范，并且能被当前虚拟机处理。2.元数据验证：基于方法区的存储结构验证，对字节码描述信息进行语义验证。3.字节码验证：基于方法区的存储结构验证，进行数据流和控制流的验证。4.符号引用验证：基于方法区的存储结构验证，发生在解析中，是否可以将符号引用成功解析为直接引用。

准备阶段

仅仅为类变量(即static修饰的字段变量)分配内存并且设置该类变量的初始值即零值，这里不包含用final修饰的static，因为final在编译的时候就会分配了，同时这里也不会为实例变量分配初始化。类变量会分配在方法区中，而实例变量是会随着对象一起分配到Java堆中。

解析阶段

解析主要就是将常量池中的符号引用替换为直接引用的过程。符号引用就是一组符号来描述目标，可以是任何字面量，而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。有类或接口的解析，字段解析，类方法解析，接口方法解析。这里要注意如果有一个同名字段同时出现在一个类的接口和父类中，那么编译器一般都会拒绝编译。

初始化阶段

初始化阶段依旧是初始化类变量和其他资源，这里将执行用户的static字段和静态语句块的赋值操作。这个过程就是执行类构造器方法的过程。

上述过程可以使用下面的脑图来概括：

类加载器的层次结构

从Java虚拟机的角度来说，只存在两种不同的类加载器：一种是启动类加载器（Bootstrap ClassLoader），这个类加载器使用C++语言实现（HotSpot虚拟机中），是虚拟机自身的一部分；另一种就是所有其他的类加载器，这些类加载器都有Java语言实现，独立于虚拟机外部，并且全部继承自java.lang.ClassLoader。

从开发者的角度，类加载器可以细分为：

启动（Bootstrap）类加载器：负责将 Java_Home/lib下面的类库加载到内存中（比如rt.jar）。由于引导类加载器涉及到虚拟机本地实现细节，开发者无法直接获取到启动类加载器的引用，所以不允许直接通过引用进行操作。

标准扩展（Extension）类加载器：是由 Sun 的 ExtClassLoader（sun.misc.Launcher$ExtClassLoader）实现的。它负责将Java_Home /lib/ext或者由系统变量 java.ext.dir指定位置中的类库加载到内存中。开发者可以直接使用标准扩展类加载器。

应用程序（Application）类加载器：是由 Sun 的 AppClassLoader（sun.misc.Launcher$AppClassLoader）实现的。它负责将系统类路径（CLASSPATH）中指定的类库加载到内存中。开发者可以直接使用系统类加载器。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（System）加载器。

除此之外，还有自定义的类加载器，它们之间的层次关系被称为类加载器的双亲委派模型。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该有自己的父类加载器，而这种父子关系一般通过组合（Composition）关系来实现，而不是通过继承（Inheritance）。

public class Test {  public static void main(String[] args) {    System.out.println(Test.class.getClassLoader());    System.out.println(Test.class.getClassLoader().getParent());    System.out.println(Test.class.getClassLoader().getParent().getParent());  }}

执行结果：

sun.misc.Launcher$AppClassLoader@18b4aac2sun.misc.Launcher$ExtClassLoader@4554617cnull

注：AppClassLoader 和 ExtClassLoader 由 Java 编写并且都是 java.lang.ClassLoader 的子类，而 BootstarapClassLoader 并非由 Java 实现而是由C++ 实现，所以打印结果为null。

自定义类加载器

public class Test {    public void say (){      System.out.println("Hello");    }}

自定义一个类加载器，继承ClassLoader。

package com.coach.jvm;import java.io.ByteArrayOutputStream;import java.io.FileInputStream;import java.io.IOException;import java.lang.reflect.Method;
public class CustomClassLoader extends ClassLoader {  private final String classesDir;
public CustomClassLoader(String classesDir) {    this.classesDir = classesDir;}@Overrideprotected Class<?> findClass(String name) throws  ClassNotFoundException {    String fileName = name;    if (fileName.indexOf('.') != -1) {      fileName = fileName.replaceAll("\\.", "\\\\");  }  fileName = fileName + ".class";try {  try (FileInputStream in = new FileInputStream(classesDir + fileName)) {      try (ByteArrayOutputStream out = new ByteArrayOutputStream()) {          byte[] buffer = new byte[1024];          int len = 0;          while ((len = in.read(buffer)) != -1) {              out.write(buffer,0,len);          }          byte[] data = out.toByteArray();          return defineClass(name, data, 0, data.length);      }    }  } catch (IOException e) {        throw new ClassNotFoundException(name);  }}
public static void main(String[] args) throws ReflectiveOperationException{//1. 将Test.java 编译为Test.class 后复制到 E:\classes 下，当然也可以选择其他目录作为加载目录。      //2. 加载        ClassLoader classLoader = new CustomClassLoader("E:\\classes\\");        Class<?> clazz = classLoader.loadClass("com.coach.jvm.Test");//如果你的Test在一个包内，需要加上包名，如x.y.z.Test      //3. 通过反射调用say()方法      Object instance = clazz.newInstance();      Method method = clazz.getMethod("say", null);        method.invoke(instance);//Hello    }}

上面的代码中，我们使用了自定义的类加载器来加载Test类，并使用反射机制成功调用了Test类的方法。

双亲委派模型过程

某个特定的类加载器在接到加载类的请求时，首先将加载任务委托给父类加载器，依次递归，如果父类加载器可以完成类加载任务，就成功返回；只有父类加载器无法完成此加载任务时，才自己去加载。

使用双亲委派模型的好处在于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，它存在在rt.jar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Bootstrap ClassLoader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，如果没有双亲委派模型而是由各个类加载器自行加载的话，如果用户编写了一个java.lang.Object的同名类并放在ClassPath中，那系统中将会出现多个不同的Object类，程序将混乱。因此，如果开发者尝试编写一个与rt.jar类库中重名的Java类，可以正常编译，但是永远无法被加载运行。

双亲委派模型的系统实现

在java.lang.ClassLoader的loadClass()方法中，先检查是否已经被加载过，若没有加载则调用父类加载器的loadClass()方法，若父加载器为空则默认使用启动类加载器作为父加载器。如果父加载失败，则抛出ClassNotFoundException异常后，再调用自己的findClass()方法进行加载。

 protected Class<?> loadClass(String name, boolean resolve)        throws ClassNotFoundException    {        synchronized (getClassLoadingLock(name)) {            // First, check if the class has already been loaded            // 首先，检查该Class是否已经被加载，如果已加载直接返回。            Class c = findLoadedClass(name);            // 没有被加载            if (c == null) {                long t0 = System.nanoTime();                try {                    //是否存在上层加载器，如果存在交由上层加载器加载                    if (parent != null) {                        c = parent.loadClass(name, false);                    } else {//如果不存在继续向上委派给BootstarapClassLoader加载                        c = findBootstrapClassOrNull(name);                    }                } catch (ClassNotFoundException e) {                    // ClassNotFoundException thrown if class not found                    // from the non-null parent class loader                }                   //所有上层加载器都无法加载，由当前加载器进行加载                if (c == null) {                    // If still not found, then invoke findClass in order                    // to find the class.                    long t1 = System.nanoTime();                    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;        }    }

注意，双亲委派模型是Java设计者推荐给开发者的类加载器的实现方式，并不是强制规定的。