java 类加载机制简析

java 类加载机制简析

类的加载：指的是 JVM 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这个类的 java.lang.Class 对象，用来封装类在方法区类的对象，加载的最终目标是堆中的 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

JVM 将类加载过程分为三个步骤：装载（Load），链接（Link） 和 初始化(Initialize)

classload.gif

类装载（不同加载器的主要不同点）

来源(.class文件来源)：

• 从本地系统直接加载.class
• 网络下载.class
• 从 zip，jar 等归档文件中加载.class
• 从专有数据库中提取.class
• 将 Java 源文件动态编译为 .class 文件（服务器）

类链接

1. 验证：确保被加载类的正确性；

2. 准备：为类的静态变量分配内存，并将其初始化为默认值；

3. 解析：把类中的符号引用转换为直接引用；

类初始化

• WHEN:

  1. 创建类的实例，也就是 new 一个对象
  2. 访问某个类或接口的静态变量，或者对该静态变量赋值
  3. 调用类的静态方法
  4. 反射Class.forName()
  5. 初始化一个类的子类（会首先初始化子类的父类）
  6. JVM 启动时标明的启动类，即文件名和类名相同的那个类

• HOW:

  1. 如果这个类还没有被装载和链接，那先进行装载和链接

  2. 假如这个类存在直接父类，并且这个类还没有被初始化（注意：在一个类加载器中，类只能初始化一次），那就初始化直接的父类（不适用于接口）

  3. 加入类中存在初始化语句（如static变量和static块），那就依次执行这些初始化语句

load-init.PNG

load-init order.PNG

 /**
 * 初始化伪代码
 */
 init (Class child) {
   if (child.hasParent()) {
     Class parent = child.getParent();
     loadAndLink(parent);
     init(parent);
   }
   /**
   * 初始化静态成员代码。。。。
   */
   return;
 }
 

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类加载器

JVM 的类加载是通过 ClassLoader 及其子类来完成

• WHAT：实际上，各种类加载器其实主要对 .class 源进行操作，并将其转化成字节序列
• WHY：在 JVM 中，一个类由其全限定名和一个加载类 ClassLoader 的实例作为唯一标识，不同类加载器加载的类将被置于不同的命名空间
• HOW：组成了如下图所示的 ，以 ”双亲委托机制“为”桥梁“的 ClassLoader Architecture

注意：

BootstrapClassLoader: 由 c++ 编写而成，不是ClassLoader的子类

ExtClassLoader 与 AppClassLoader 没有类继承关系，却通过 parent 属性使其构成父子类加载器的关系

classloader.gif

上图表示出 java 类加载机制中的 “双亲委托机制“

双亲委托机制

• WHAT：当前类加载器在调用 loadClass() 加载类时，主要进行下步骤：

  1. 检查类是否已被加载过，调用 findClassLoaded() 查看当前类加载器是否存在 class 的缓存
  2. 若类未被加载过，递归委托父类加载器调用 loadClass() 加载类，若无，则 findBootstrapClassOrNull() 完成类加载
  3. 若以上步骤都不能完成类加载，则调用 findClass() 尝试当前类加载器完成加载，若加载成功则缓存

  特点:

  1. 从子到父共享缓存
  2. 从父到子尝试自加载

• WHY：双亲委托机制主要是为了 ”类加载器之间共享缓存“ 和 "类加载器的优先级问题"，保证基础类的类加载器统一的问题

• HOW：具体代码实现:

  /**
  * //:ClassLoader 类中的 loadClass() 源码
  * loadClass 是加载类的入口，也是双亲委托机制的实现
  * @param name 必须为二进制名，即类的全限定名
  * @param resolve 是否链接类，链接绑定类与加载器
  * @return 类加载完成后返回存储在堆中 Class
  * 方法 loadClass 并未被 final 修饰,代表可以被复写,从而破坏“双亲委托”
  */
  protected Class loadClass(String name, boolean resolve)
         throws ClassNotFoundException
     {
         synchronized (getClassLoadingLock(name)) {
             // 检查类是否已被加载过
             Class c = findLoadedClass(name);
             if (c == null) {
                 long t0 = System.nanoTime();
                 try {
                     if (parent != null) {
                       //递归委托父类加载器加载类
                         c = parent.loadClass(name, false);
                     } else {
                       //无父类加载器，则调用启动类加载器加载
                         c = findBootstrapClassOrNull(name);
                     }
                 } catch (ClassNotFoundException e) {
                     // ClassNotFoundException thrown if class not found
                     // from the non-null parent class loader
                 }
    
                 if (c == null) {
                     long t1 = System.nanoTime();
                    //递归委托后仍然无法完成类加载，则使用当前类加载器加载
                     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;
         }
     }
  

自定义类加载器(extends ClassLoader)的方式：

• override loadClass() 破化双亲委托机制（不推荐）
• override findClass() 兼容双亲委托机制，通过复写提供的 findClass() 来实现在双亲委托机制的基础上来自定义类加载器
  • 先内后外，加载类时，遵循先双亲委托，后自定义加载

ClassLoader 的三个构造器：

    
    private final ClassLoader parent; //父类加载器，只在构造器中一次性指定，不提供public方法设置
    /**
    * ClassLoader 无参构造器
    * 内部调用带参构造器，使用getSystemClassLoader()作为parent形参的实参
    * getSystemClassLoader()返回的是sun.misc.Launcher$AppClassLoader
    */
    protected ClassLoader() {
          this(checkCreateClassLoader(), getSystemClassLoader());
      }

    /**
    * 带参构造器
    * @parent 用来指定父类加载器
    */
    protected ClassLoader(ClassLoader parent) {
        this(checkCreateClassLoader(), parent);
    }

    /**
    * 带参构造器
    */
    private ClassLoader(Void unused, ClassLoader parent) {
          this.parent = parent;  //设置父类加载器
          if (ParallelLoaders.isRegistered(this.getClass())) {
              parallelLockMap = new ConcurrentHashMap<>();
              package2certs = new ConcurrentHashMap<>();
              domains =
                  Collections.synchronizedSet(new HashSet());
              assertionLock = new Object();
          } else {
              // no finer-grained lock; lock on the classloader instance
              parallelLockMap = null;
              package2certs = new Hashtable<>();
              domains = new HashSet<>();
              assertionLock = this;
          }
      }

实现自定类加载器：

      /**
      * //: findClass 方法源码
      * @name 
      * 该方法只抛出一个 ClassNotFountException(name)
      * 表明此方法被设计来复写，作为自定义加载器类的接口
      */
    protected Class findClass(String name) throws ClassNotFoundException {
          throw new ClassNotFoundException(name);
        // 自定义时，在此处添加代码，将 .class 源解析为 byte[] classData
        //  return defineClass(name, classData, 0, classData.length);  
      }

    /**
    * //: defindClass 方法源码
    * final 修饰，不能被子类复写，提供真正意义上 JVM 对类进行加载的接口
    * 将由.class 解析成的字节序列，存储于方法区，然后在堆中生成对应的Class对象
    */
    protected final Class defineClass(String name, byte[] b, int off, int len)
        throws ClassFormatError
    {
        return defineClass(name, b, off, len, null);
    }

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