JVM 学习笔记 - 带你掌握JVM类加载机制

前言

往期JVM系列：

• 精美图文带你掌握 JVM 内存布局

本节主要内容：

• 类的生命周期
• 类加载阶段描述
  • 数组类和非数组类在加载阶段的差别
  • 父子类初始化顺序
  • 接口的初始化
  • JVM如何处理 多线程同时初始化一个类 的情况
• 类加载器的分类
• 什么是双亲委派模型，优点和好处
• 什么情况下需要自定义类加载器呢？怎么自定义？
• 学以致用

类加载机制.png

类的生命周期

类的生命周期包含下面7个阶段，其中前五步属于类加载阶段：

• 加载
• 验证
• 准备
• 解析
• 初始化·
• 使用
• 卸载

image.png

类加载阶段

1. 加载

加载阶段，虚拟机做了以下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

简单一句话概括：把代码数据加载到内存中，加载完成后，在方法区实例化一个对应的Class对象。

延伸知识点

相对于类加载过程的其他阶段，一个非数组类的加载阶段（准确地说，是加载阶段中获取类的二进制字节流的动作）是开发人员可控性最强的，因为加载阶段既可以使用系统提供的引导类加载器来完成，也可以由用户自定义的类加载器去完成，开发人员可以通过定义自己的类加载器去控制字节流的获取方式（即重写一个类加载器的loadClass()方法）。

对于数组类而言，情况就有所不同，数组类本身不通过类加载器创建，它是由Java虚拟机直接创建的。但是数组类的元素类型（Element Type，指的是数组去掉所有维度的类型）最终是要靠类加载器去创建，如果数组的组件类型不是引用类型（例如int[]数组），Java虚拟机将会把数组C标记为与引导类加载器关联。

数组类的可见性与它的组件类型的可见性一致，如果组件类型不是引用类型，那数组类的可见性将默认为public。

2. 验证

当 JVM 加载完 Class 字节码文件并在方法区创建对应的 Class 对象之后，JVM 便会启动对该字节码流的校验，只有符合 JVM 字节码规范的文件才能被 JVM 正确执行。这个校验过程大致可以四个阶段：

• 文件格式验证

  是否以魔法数0xCAFEBABE开头、常量池的常量中是否有不被支持的常量类型等等。

  该验证阶段的主要目的是保证输入的字节流能正确地解析并存储于方法区之内，格式上符合描述一个Java类型信息的要求。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后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储。

  只有通过了这个阶段的验证后，字节流才会进入内存的方法区中进行存储，所以后面的3个验证阶段全部是基于方法区的存储结构进行的，不会再直接操作字节流。

• 元数据验证

• 字节码验证

• 符号引用验证

后面三个阶段可以归纳为代码逻辑校验，JVM 会对代码组成的数据流和控制流进行校验，确保 JVM 运行该字节码文件后不会出现致命错误，比如final 是否合规、类型是否正确、静态变量是否合理等。

简单一句话概括：验证字节流信息符合当前虚拟机的要求，防止被篡改过的字节码危害JVM安全。

3. 准备 ★

当完成字节码文件的校验之后，JVM 便会开始为类变量分配内存并设置类变量初始值。

类变量是被 static 修饰的变量，准备阶段为类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，它会在对象实例化时随着对象一起被分配在堆中。应该注意到，实例化不是类加载的一个过程，类加载发生在所有实例化操作之前，并且类加载只进行一次，实例化可以进行多次。

注意：这里的初始化指的是为变量赋予 Java 语言中该数据类型的零值，而不是用户代码里初始化的值。

数据类型	零值	数据类型	零值
int	0	boolean	false
long	0L	float	0.0f
short	(short)0	double	0.0d
char	'\u0000'	reference	null
byte	(byte)0

简单一句话概括：为静态变量分配内存，并且设置默认值。

延伸知识点

这里举一个“特殊”知识点。

上面提到，在“通常情况”下初始值是零值，那相对的会有一些“特殊情况”：如果类字段的字段属性表中存在ConstantValue属性，那在准备阶段变量value就会被初始化为ConstantValue属性所指定的值，假设上面类变量value的定义变为：

public static final int value = 123；

在编译时Javac将会为被static和final修改的常量生成ConstantValue属性

编译时Javac将会为value生成ConstantValue属性，在准备阶段虚拟机就会根据ConstantValue的设置将value赋值为123。

为什么 static final 会直接被赋值？final 关键字在 Java 中代表不可改变的意思，意思就是说 value 的值一旦赋值就不会在改变了。既然一旦赋值就不会再改变，那么就必须一开始就给其赋予用户想要的值，因此被 final 修饰的类变量在准备阶段就会被赋予想要的值。而没有被 final 修饰的类变量，其可能在初始化阶段或者运行阶段发生变化，所以就没有必要在准备阶段对它赋予用户想要的值。

4. 解析

当通过准备阶段之后，JVM 针对类或接口、字段、类方法、接口方法、方法类型、方法句柄和调用点限定符 7 类引用进行解析。这个阶段的主要任务是将其在常量池中的符号引用替换成直接其在内存中的直接引用。

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。

简单一句话概括：解析类和方法，将常量池的符号引用替换为直接引用，确保类与类之间相互引用正确性，完成内存结构布局。

5. 初始化 ★

类初始化阶段是类加载过程的最后一步，前面的类加载过程中，除了在加载阶段用户应用程序可以通过自定义类加载器参与之外，其余动作完全由虚拟机主导和控制。到了初始化阶段，才真正开始执行类中定义的Java程序代码（或者说是字节码）。

简单一句话概括：初始化阶段，执行类构造器＜clinit>() 方法（类变量赋值、静态语句块），如果赋值运算是通过其他类的静态方法来完成的，那么会马上解析另外一个类，在虚拟机栈中执行完毕后通过返回值进行赋值。

＜clinit＞()方法是由编译器自动收集类中的所有类变量的赋值动作和静态语句块（static{}块）中的语句合并产生的，编译器收集的顺序由语句在源文件中出现的顺序决定。特别注意的是，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;
}

5.1 延伸知识点 - 父子类初始化顺序

由于父类的 <clinit>()方法先执行，也就意味着父类中定义的静态语句块的执行要优先于子类。例如以下代码：

static class Parent {
    public static int A = 1;
    static {
        A = 2;
    }
}

static class Sub extends Parent {
    public static int B = A;
}

public static void main(String[] args) {
     System.out.println(Sub.B);  // 2
}

5.2 延伸知识点 - 接口的初始化

接口中不可以使用静态语句块，但仍然有类变量初始化的赋值操作，因此接口与类一样都会生成 <clinit>() 方法。但接口与类不同的是，执行接口的 <clinit>() 方法不需要先执行父接口的 <clinit>() 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 <clinit>() 方法。

5.3 延伸知识点 - 多线程同时初始化一个类

虚拟机会保证一个类的<clinit>() 方法在多线程环境下被正确的加锁和同步。

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 <clinit>() 方法，其它线程都会阻塞等待，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。

示例代码如下：

public class DeadLoopClassDemo {

    static class DeadLoopClass {
        static {
            /*如果不加上这个if语句，编译器将提示"Initializer does not complete normally"并拒绝编译*/
            if (true) {
                System.out.println(Thread.currentThread() + "init DeadLoopClass");
                while (true) {
                }
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Runnable script = () -> {
            System.out.println(Thread.currentThread() + "start");
            DeadLoopClass dlc = new DeadLoopClass();
            System.out.println(Thread.currentThread() + "run over");
        };
        Thread thread1 = new Thread(script);
        Thread thread2 = new Thread(script);
        thread1.start();
        thread2.start();
    }
}

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。

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），使用 C++ 实现，是虚拟机自身的一部分；
• 所有其它类的加载器，使用 Java 实现，独立于虚拟机，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，类似于原始部落结构，存在权力等级制度。

• 最高层：启动类加载器（Bootstrap ClassLoader）。
  • 使用C++ 实现，是虚拟机自身的一部分；
  • 负责加载 <JAVA_HOME>/lib路径下的核心类库，无法被Java程序直接引用。
  • 是最根基的类加载器，负责装载最核心的 Java 类，比如 Object, System, String 等
• 第二层：扩展类加载器（Extension ClassLoader），JDK9 及以后的版本 称为平台类加载器（Platform ClassLoader）。
  • 负责加载 <JAVA_HOME>/lib/ext 路径下的扩展类库，开发者可以直接使用扩展类加载器
  • 用以加载一些扩展的系统类，比如 XML ，加密、压缩相关的功能类等
• 第三层：应用程序类加载器（Application ClassLoader）
  • 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
  • 负责加载用户类路径（ClassPath）上所指定的类库
  • 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

双亲委派模型 ★

描述

image.png

低层次的当前类加载器，不能覆盖更高层次类加载器已经加载的类。如果低层次的类加载器想加载一个未知类，要非常礼貌地向上逐级询问 ：“请问，这个类已经加载了吗？” 被询问的高层次类加载器会自问两个问题，第一，我是否已加载过此类？第二，如果没有，是否可以加载此类？只有当所有高层次类加载器在两个问题上的答案均为“否”时，才可以让当前类加载器加载这个未知类。如上图所示，左侧绿色箭头向上逐级询问是否已加载此类，直至 Bootstrap ClassLoader ，然后向下逐级尝试是否能够加载此类，如果都加载不了，则通知发起加载请求的当前类加载器 ，准予加载。

简单一句话： 一个类加载器首先将类加载请求转发到父类加载器，只有当父类加载器无法完成时才尝试自己加载。

该模型要求除了顶层的启动类加载器外，其它的类加载器都要有自己的父类加载器。这里的父子关系一般通过组合关系（Composition）来实现，而不是继承关系（Inheritance）。

优点好处

采用双亲委派模式的是好处是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，通过这种层级关可以避免类的重复加载，当父亲已经加载了该类时，就没有必要子ClassLoader再加载一次。其次防止恶意覆盖Java核心API。

例如 java.lang.Object 存放在 rt.jar 中，如果编写另外一个 java.lang.Object 并放到 ClassPath 中，程序可以编译通过。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，这是因为 rt.jar 中的 Object 使用的是启动类加载器，而 ClassPath 中的 Object 使用的是应用程序类加载器。rt.jar 中的 Object 优先级更高，那么程序中所有的 Object 都是这个 Object。

双亲委派模型 代码实现

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);
    }
}

什么情况下需要自定义类加载器呢？

1. 隔离加载类。 在某些框架内进行中间件与应用的模块隔离，把类加载到不同的环境。
2. 修改类加载方式。 类的加载模型并非强制，除了Bootstrap以外，其他的加载并非一定要引入，或者根据实际情况在某个时间点进行按需进行动态加载。
3. 扩展加载源。比如从数据库、网络，甚至电视机机顶盒进行加载。
4. 防止源码泄露。Java 代码容易被编译和篡改，可以进行编译加密。那么类加载器也需要自定义，还原加密的字节码。

学以致用

1. 自定义类加载器

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

如示例：

public class CustomClassLoader extends ClassLoader {

    @Override
    protected Class<?> findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
        try {
            byte[] result = getClassFromCustomPath(name);
            if (result == null) {
                throw new FileNotFoundException();
            } else {
                return defineClass(name, result, 0, result.length);
            }
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        throw new ClassNotFoundException(name);
    }

    private byte[] getClassFromCustomPath(String name) {
        // TODO 从自定义路径中加载指定类
        return null;
    }
}

2. 查看Boostrap ClassLoader 加载的类库

    public static void main(String[] args) {
        URL[] urls = sun.misc.Launcher.getBootstrapClassPath().getURLs();
        for (URL url : urls) {
            System.out.println(url.toExternalForm());
        }
    }

执行结果：

file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/resources.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/rt.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/sunrsasign.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jsse.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jce.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/charsets.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/lib/jfr.jar
file:/C:/Program%20Files/Java/jdk1.8.0_131/jre/classes

3. 如何在启动时观察加载了哪个jar包中的哪个类？

使用-XX:+TraceClassLoading参数，可以在启动时观察加载了哪个jar包中的哪个类。此参数在解决类冲突时特别实用。因为不同JVM环境对于加载类的顺序并非是一致的。

image.png

部分示例：

[Opened C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Object from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.io.Serializable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Comparable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.CharSequence from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.String from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.AnnotatedElement from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.GenericDeclaration from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.reflect.Type from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Class from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Cloneable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.ClassLoader from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.System from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
[Loaded java.lang.Throwable from C:\Program Files\Java\jdk1.8.0_131\jre\lib\rt.jar]
......

4. 观察特定类的加载上下文

由于加载的类数量众多，调试时很难捕捉到指定类的加载过程，这时可以使用条件断点功能。拿HashMap的加载过程为例，在ClassLoader#loadClass()处打个条件断点，效果如下，

image.png

参考

1. 《深入理解Java虚拟机》 - 周志明
2. 《码出高效》

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